Что такое ускоряющая разность потенциалов
Перейти к содержимому

Что такое ускоряющая разность потенциалов

  • автор:

Что такое разность потенциалов и как её найти

Физическая величина, названная потенциалом, является одной из фундаментальных характеристик потенциального поля. Понятие потенциала используется для описания свойств не только электрического, но и других физических полей — гравитационного, акустического, поля упругих деформаций. Для конкретных расчётов используется величина, которую называют разностью потенциалов (РП), поскольку одним из свойств потенциальных полей является зависимость его величины от выбранной системы координат (от точки отсчёта). РП не зависит от этого фактора. Для электрополя дополнительно применяется понятие напряжения, что по сути эквивалентно РП.

Потенциальная энергия в электрополе

Наличие электрического поля E проявляется в его силовом действии на электрические заряды q. Сила F, действующая на электрозаряд, равна F=qE.

Силовое воздействие поля на электрозаряд

При перемещении электрозаряда из одной точки электрополя в другую совершается работа А, которая равна:

Формула работы электрополя

В этой формуле Δx — расстояние между двумя точками (начальной и конечной).

Результатом совершённой работы является изменение Δ потенциальной энергии (ПЭ) электрозаряда W:

Связь работы и потенциальной энергии

Электростатическое поле является потенциальным. Его главные признаки:

Нулевое значение работы

  • Работа, совершаемая полем по перемещению электрозаряда, не зависит от конфигурации пути (траектории). То есть, энергетический результат будет одинаков при перемещении из точки 1 в точку 2 либо четко по прямой, либо по замысловатой кривой.
  • Работа поля, совершённая по замкнутой траектории, равна нулю. Результат работы, совершённой на дистанции любой длины, но с возвратом в начальную точку, будет нулевым.

Второе свойство является прямым следствием первого, но его обычно выделяют отдельно, как один из основных признаков потенциальности поля.

Независимость совершённой работы от конфигурации пути

Силы потенциальных полей относятся к разряду консервативных. Кроме электрических к таковым относятся:

  • Сила гравитации (тяжести).
  • Сила упругих деформаций (упругости).

Яркий пример неконсервативной силы — сила трения, на результат работы которой влияет и конфигурация пути, и скорость перемещения.

Что такое потенциал

Многочисленные исследования учёных в ХVIII–XIX в.в. показали, что ПЭ в любых полях (однородных или неоднородных) прямо пропорциональна величине заряда q. На этом основании была введена новая физическая характеристика — потенциал и его обозначение буквой φ.

Определение потенциала

Как видно из формулы, φ — скалярная величина. Простыми словами можно сказать, что потенциал характеризует энергетические возможности поля в конкретной точке, в то время как напряжённость Е «отвечает» за силовые возможности.

Поскольку W измеряется в джоулях, а q в кулонах, то [φ]=[Дж]/[Кл]. Данная единица измерения получила наименование Вольт в честь итальянского физика, внёсшего огромный вклад в изучение природы электрических явлений. Так же называется и единица измерения электрического напряжения.

Алессандро Вольта

При чём тут разность

По аналогии с ПЭ гравитационного поля величина φ в данной точке разнится в зависимости от выбора точки. На практике интерес представляет не абсолютное значение потенциала, а его изменение, которое уже не зависит от точки отсчёта нулевого уровня.

Работа, выполняемая при перемещении электрозаряда q из точки 1 в точку 2, равна:

Работа, выполняемая при перемещении электрозаряда

Таким образом, Δφ — это разность потенциалов, физика которой, четко и корректно описывается данной формулой. На практике для величины Δφ чаще применяют термин напряжение, которое обозначается буквой U, то есть U=Δφ.

Напряжение электросети есть не что иное, как разность потенциалов на концах проводника или участка цепи. Поскольку единица разности потенциалов — вольт, то электронапряжение также измеряется вольтами.

Следует отметить, что в отличие от алгебраической разности, являющейся разностью между конечным и начальным значением некоторой величины, чтобы определить разность электрических потенциалов, надо от начального значения отнять конечное. Если электрозаряд в конечной точке больше, чем в начальной, то разность электропотенциалов будет отрицательной.

Однородное электрополе

В зависимости от системы зарядов возникает суммарное поле распределения электропотенциала, в котором определение его величины может быть весьма непростой задачей. На рисунке ниже показаны некоторые варианты. Системы из двух зарядов (диполя) относятся к неоднородным полям. Вариант в правом нижнем углу — это распределение силовых линий в конденсаторе, между обкладками которого напряжённость Е = const. Разность электрических потенциалов на обкладках плоского конденсатора равна напряжению U, поданному на обкладки.

Варианты электрополей

В однородном электрополе напряженность Е будет одинаковой во всех его точках. Для определения ее величины используется довольно простая формула.

Случай однородного поля

Из этой формулы можно найти единицу измерения напряженности. При φ12 = 1 В и d = 1 м получим Е=1 В/м.

Когда нужна большая разница

В научных и практических целях в узлах отдельных устройств бывают необходимы электронные блоки, способные быстро ускорять заряженные частицы. Ускоряющая разность потенциалов — это напряжение, разгоняющее электроны до необходимой энергии. На рисунке ниже схематично показана «электронная пушка», используемая в осветительной системе электронного микроскопа.

Ускорение электронов в электронном микроскопе

Чем больше ускоряющее напряжение, тем качественнее получается пространственное разрешение электронного микроскопа. Типичные величины ускоряющих напряжений лежат в диапазоне 10–100 кВ.

Работу ускоряющего напряжения можно определить, исходя из закона сохранения энергии:

Связь работы и энергии

Из данной формулы может быть найдено электронапряжение или разность потенциалов:

Ускоряющее напряжение

Измерительные приборы

Измерение разницы электрических потенциалов или напряжения в электроцепях осуществляют с помощью вольтметров, которые бывают:

  • Аналоговыми (со стрелкой).
  • Цифровыми (со светодиодной индикацией).

Вольтметры

Использование вольтметров основывается на принципах электродинамики. Электроток проходит по проволочной рамке прибора, расположенной между полюсами магнитов, и под действием измеряемого электронапряжения создает электромагнитное поле. Под его воздействием рамка отклоняется на некоторый угол. Шкала вольтметра проградуирована пропорционально углу отклонения рамки. Но следует учитывать, что с помощью прибора может быть определен не сам потенциал, а разность потенциалов.

Такое понятие в физике, как потенциал и производная от него разность потенциалов, являются ключевыми характеристиками энергетических возможностей электрополя.

Что такое ускоряющая разность потенциалов

podpartoy.ru справочник формул решение задач решебники

Задача №1129 Сборник задач по физике А.П.Рымкевич

$$_=_\cdot^;\,\Delta_=U \cdot e;\,_=10\cdot_\Rightarrow$$

$$\Rightarrow U=\frac_\cdot^>$$

$$U=\frac^\,\text\cdot<(3\cdot <10>^\,\text)>^>^\,\text>$$

$$U=5.119\cdot <10>^\,\text=5.119\,\text$$

Ответ: ускоряющая разность потенциалов равна \(5.119\cdot <10>^\) В или \(5.119\) МВ.

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.Эквипотенциальные поверхности

Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной.

За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора.

— следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически).

Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность.

В СИ потенциал измеряется в вольтах:

Разность потенциалов

Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории.

Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля.

Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора

Единица разности потенциалов

Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж.

Связь между напряженностью и напряжением.

Из доказанного выше: →

напряженность равна градиенту потенциала (скорости изменения потенциала вдоль направления d).

Из этого соотношения видно:

  1. Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала.
  2. Электрическое поле существует, если существует разность потенциалов.
  3. Единица напряженности: — Напряженность поля равна1 В/м, если между двумя точками поля, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга существует разность потенциалов 1 В.

Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала

Эквипотенциальные поверхности.

ЭПП — поверхности равного потенциала.

— работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается;

— вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке.

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Между стержнем и корпусом — электрическое поле. Измерение потенциала кондуктора Измерение напряжения на гальваническом элементе Электрометр дает большую точность, чем вольтметр.

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов.

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов

Потенциал поля точечного заряда

Потенциал заряженного шара

а) Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы (. ) и равны потенциалу на поверхности шара.

б) Снаружи поле шара убывает обратно пропорционально расстоянию от центра шара, как и в случае точечного заряда.

Перераспределение зарядов при контакте заряженных проводников.

Переход зарядов происходит до тех пор, пока потенциалы контактирующих тел не станут равными.

Что значит ускоряющая разность потенциалов

Ускоряющая разность потенциалов (УРП) является физическим явлением, основанной на разности электрического потенциала в системе. Это понятие широко используется в различных областях науки и техники.

Принцип работы ускоряющей разности потенциалов заключается в создании электрического поля между двумя точками с разным потенциалом. Это поле ускоряет частицы, проходящие через него, за счет электрической силы, действующей на них.

Основное применение УРП — в ускорителях частиц. Ускорительные установки, такие как коллайдеры, используют УРП для ускорения заряженных частиц до очень высоких энергий. Это позволяет исследовать структуру и свойства элементарных частиц, а также проводить различные физические эксперименты.

УРП также находит применение в электронике и электротехнике. В электрических цепях, ускоряющая разность потенциалов может быть использована для создания электрического тока и питания устройств. Например, батареи и аккумуляторы работают на основе этого принципа.

УРП играет важную роль в разработке и применении различных технологий, включая лазерную технику, исследования в области ядерной физики, медицину и многие другие области науки и техники. Ее принципы и применение продолжают развиваться и находить новые области применения.

В итоге, ускоряющая разность потенциалов — это важное физическое явление, которое нашло широкое применение в различных областях науки и техники. Ее основной принцип работы, основанный на создании электрического поля, позволяет ускорять частицы и использовать их для исследований и применений в различных областях. УРП является одним из ключевых концепций, на которых строится современная электроника и технология.

Что такое ускоряющая разность потенциалов?

УРП измеряется в вольтах (В) и обозначается символом U. Она может быть положительной или отрицательной в зависимости от направления потока электрического заряда.

УРП возникает в результате разделения зарядов в электрической цепи, например, при подключении источника электрической энергии к потребителю. При этом заряды начинают двигаться внутри цепи под воздействием электрического поля, созданного уровнем потенциала.

УРП играет важную роль во многих технических устройствах, включая электрические сети, батареи, электронные схемы и другие. Она позволяет обеспечить направленное движение электрического заряда и выполнять работу, например, осуществлять передачу электрической энергии или питать электронные приборы.

Принцип работы ускоряющей разности потенциалов

УРП состоит из двух электродов: катода и анода. Катод является источником электронов, которые посредством электрического поля перемещаются к аноду. Разность потенциалов между электродами создается при помощи источника питания. Обычно это делается при помощи батареи или источника постоянного тока.

Когда разность потенциалов подключается к ускоряющей разности потенциалов, электроны, находящиеся на катоде, приобретают энергию и начинают двигаться в направлении анода. Из-за разности потенциалов, электроны ускоряются и образуют электронный пучок.

Ускоряющие разности потенциалов широко используются в различных областях науки и техники. В физике они используются для изучения взаимодействия электронов с другими заряженными частицами и для генерации рентгеновского излучения. В радиотехнике и телекоммуникациях УРП применяются для ускорения электронов в телевизионных трубках и генерации радиоволн.

Кроме того, ускоряющие разности потенциалов применяются в медицинской диагностике и лечении. Например, они используются в различных типах сканеров, таких как компьютерная томография и позитронно-эмиссионная томография, для создания детальных изображений органов и тканей внутри человеческого тела.

Основные применения ускоряющей разности потенциалов

1. Электростатические ускорители

УРП используется в электростатических ускорителях для ускорения заряженных частиц, таких как электроны или ионы. Это позволяет исследователям изучать свойства и поведение частиц на очень высоких скоростях, а также создавать сильные пучки частиц для различных приложений.

2. Электронные пушки

УРП используется в электронных пушках, которые используются в телевидении и других видео-технологиях. В этих устройствах электроны ускоряются с помощью УРП и образуют электронный пучок, который затем используется для отображения изображений на экране.

3. Ионные и термоэлектрические двигатели

УРП используется в ионных и термоэлектрических двигателях для создания ускоряющего поля, которое ускоряет заряженные частицы или ионы. Это позволяет создавать двигатель, который может приводить в движение космические аппараты с малым расходом топлива и высокой эффективностью.

4. Катодные лампы и электронные лампы

УРП используется в катодных лампах и электронных лампах для создания электрического разряда, который приводит к излучению света или электромагнитного излучения. Это находит применение в осветительных устройствах, телевизорах, мониторах и других устройствах, требующих искусственного освещения или дисплея.

5. Масс-спектрометрия и анализаторы частиц

УРП используется в масс-спектрометрии и анализаторах частиц для разделения и измерения массы заряженных частиц. УРП позволяет ускорять частицы и создавать различные разности потенциалов, которые приводят к их разделению в пространстве или их фокусировке на детектор. Это позволяет исследователям определить массу и характеристики различных частиц.

В итоге, ускоряющая разность потенциалов имеет широкий спектр применений в науке и технике, от исследования физических свойств частиц до создания эффективных устройств в различных сферах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *