Электрический потенциал — это физическая величина, которая характеризует энергетическое состояние электрического поля в данной точке. Он показывает, какую работу совершают электрические силы над положительным зарядом, перемещающимся в поле.
Электрический потенциал — количественная характеристика электрического поля, основанная на измерении той работы электрических сил, которую совершает поле при перемещении в нем зарядов. Для измерения электрического потенциала служит специальные приборы - электрокопы и электрометры.
Электрическое поле, создаваемое зарядами, обладает следующим важным свойством: работа, совершаемая силами поля при перемещении в нем зарядов, зависит только от положения начальной и конечной точек перемещения, но не зависит от пути, по которому происходит перемещение (поле, обладающее таким свойством, называется потенциальным).
Поэтому электрическое поле в каждой точке может быть охарактеризовано той работой, которую совершают силы поля при перемещении определенного заряда из данной точки в бесконечность (практически в столь удаленную точку, что поле в ней уже можно считать равным нулю).
Такой характеристикой и является электрический потенциал данной точки поля, выражающийся той работой, которую совершают силы поля при удалении единичного положительного заряда из этой точки в бесконечность.
Если это перемещение происходит в направлении силы, действующей со стороны поля, то эта сила совершает положительную работу и потенциал начальной точки положителен. Если перемещение происходит навстречу силе, действующей со стороны поля, то сила поля совершает отрицательную работу и потенциал начальной точки отрицателен.
Так как работа, совершаемая при перемещении заряда в электрическом поле, не зависит от пути, а только от положения начальной и конечной точек, то работа, совершаемая при перемещении по любому пути из точки А в точку В, равна сумме работ, совершаемых при перемещении из А в бесконечность и из бесконечности в В (т. к. два последних перемещения также представляют собой перемещение из А в В, но по другому пути).
Иначе говоря, работа, совершаемая силами поля при перемещении единичного положительного заряда из точки А в точку В, равна разности электрических потенциалов точек А и В.
Свободный положительный заряд под действием силы электрического поля всегда будет двигаться в направлении силы, которая при этом будет совершать положительную работу, т. е. он всегда будет двигаться от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Отрицательные заряды будут двигаться, наоборот, от точки с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом.
Так же как тяжелые тела в поле тяжести движутся от более высокого уровня к более низкому, положительные электрические заряды движутся от более высокого потенциала к более низкому.
Электрический потенциал является скалярной величиной, то есть он не имеет направления. Однако, электрический потенциал не является абсолютной величиной, то есть он не имеет единственного и неизменного значения в каждой точке пространства.
Это связано с тем, что потенциальная энергия заряженной частицы определяется с точностью до произвольной постоянной, которая зависит от выбора нулевого уровня потенциальной энергии. Поэтому электрический потенциал также определяется с точностью до произвольной постоянной, которая зависит от выбора нулевого уровня потенциала.
Обычно нулевым уровнем потенциала принимают потенциал в бесконечно удаленной точке от всех зарядов, то есть считают, что потенциал в бесконечности равен нулю. Однако, в некоторых случаях может быть удобно выбрать другой нулевой уровень потенциала, например, потенциал земли или потенциал какого-то опорного заряда.
Так же как для движения тяжелых тел играет роль не абсолютный уровень в какой-либо точке, а разность уровней точек, между которыми происходит перемещение тел, для движения электрических зарядов существенна не сама величина потенциала (отсчитываемого относительно бесконечности), а разность потенциалов точек, между которыми может происходить движение электрических зарядов, например, точек, соединенных проводником.
Поэтому во всех электрических задачах играет роль не потенциал, а разность потенциалов, и для этой последней величины введено специальное название — напряжение (разность потенциалов между двумя точками). Единицей измерения разности потенциалов (напряжения) в практической системе единиц служит вольт.
В электротехнике существуют также понятия электродный потеницал и контактная разность потенциалов.
Использование электрического потенциала
Электрический потенциал используется для решения различных задач в физике, химии, биологии и технике. Например:
- В электростатике электрический потенциал позволяет определить работу электрического поля при перемещении заряда, потенциальную энергию системы зарядов, напряжение между двумя точками и емкость конденсатора.
- В электродинамике электрический потенциал входит в уравнения Максвелла и связан с магнитным полем и электромагнитными волнами.
- В электрохимии электрический потенциал определяет скорость и направление химических реакций, происходящих на электродах. Стандартный электродный потенциал показывает способность вещества к окислению или восстановлению.
- В биологии электрический потенциал играет важную роль в передаче нервных импульсов и мышечном сокращении. Мембранный потенциал - это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны.