Elektrotechnika - to nie takie trudne! (część 1)

Potencjał elektryczny, napięcie

Zdefiniowanie pola elektrycznego było niezbędne dla wytłumaczenia kolejnego pojęcia. Chodzi o potencjał elektryczny pola. Jego wartość w danym punkcie pola o natężeniu E jest określona pracą, jaką wykonują siły przenosząc jednostkowy ładunek dodatni z danego punktu pola do nieskończenie oddalonego punktu (poza granice pola). Jeżeli pole jest wytworzone przez punktowy ładunek dodatni q, w środowisku o bezwzględnej przenikalności elektrycznej ε, to w odległości r od ładunku pole ma potencjał:

Wynik jest rezultatem operacji matematycznej zwanej całkowaniem (całka oznaczona, od r do ∞), co pokazuje zapis. Proszę mi uwierzyć, że wyjaśnianie podstaw elektrotechniki bez używania rachunku różniczkowego i całkowego jest trudne i niezbyt precyzyjne. Z drugiej strony nie chcę stwarzać sztucznych barier dla Czytelników, którzy nie mają pojęcia, czym jest całka i pochodna funkcji. Dlatego też, aby pogodzić ogień z wodą, będę używał elementów wyższej matematyki tam, gdzie jest to uzasadnione. Ułatwi to lekturę Czytelnikom, dla których pojęcia te są zrozumiałe, natomiast dla pozostałych pozostanie jedynie przyjmowanie podanego wyniku „na wiarę", ale nie zmniejszy to możliwości zrozumienia całości. Nie widzę innego sensownego wyjścia. Ale też na początku zaznaczałem, że nie będzie lekko! Schody właśnie się zaczęły!

Natomiast jeżeli pole wytworzone jest przez ładunek ujemny, to oddalenie dodatniego ładunku jednostkowego poza granice pola następuje nie za pomocą sił pola, ale za pomocą sił zewnętrznych, działających przeciw siłom pola.

Przenosząc ładunek dodatni q z jednego punktu pola o natężeniu E do drugiego (po drodze s), pole wykonuje pracę L, równą różnicy potencjałów tych punktów:

W stacjonarnym polu elektrycznym praca potrzebna do przemieszczenia ładunku nie zależy od drogi, po której przemieszcza się ładunek, lecz jedynie od potencjału początkowego j₁ i końcowego j₂. Takie pole nazywa się bezwirowym lub potencjalnym. Różnicę potencjałów pomiędzy dwoma punktami pola elektrycznego nazywa się napięciem. Określa je wzór:

Jeżeli różnica napięć pomiędzy dowolnymi punktami pola elektrycznego jest równa zero (są to tzw. punkty ekwipotencjalne), to można je połączyć ze sobą przewodnikiem bez żadnych konsekwencji.

Przypominam, że jednostką napięcia jest wolt (V).