電界が存在する場合、点電荷をある点から別の点に移動させるために作業を行う必要があります。電位は、電場に逆らって点電荷をある点から別の点に移動する際に行われる仕事の量です。電場 E の存在下で、2 つのプレート 1 と 2 の間に位置する正の電荷 q を考えるとします。電場が存在すると、電荷 q に力が加えられます。これは F=qE に相当します。この電荷を動かすには、この電場に対して仕事をする必要があり、そのためには、等しく反対の力、つまり F=-qE が適用されます。この電荷をプレート 1 からプレート 2 に距離 d だけ移動させるために必要な作業は、W=Fd=-qEd となります。電位の SI 単位はジュール/クーロン (ボルト) です。
電位エネルギー
位置エネルギーは、その高さまたは位置によって物体が持つエネルギーとして定義されます。電位エネルギーの場合、電荷は互いに力を及ぼします。その結果、電荷の集まりによりポテンシャルエネルギーが発生します。空間のある点に存在する正電荷 q を考えてみましょう。別の正電荷を近づけると、両方の電荷に斥力が発生し、その力によって位置エネルギーが発生します。前の電荷 q に近づく電荷 Q のポテンシャル エネルギーは、
で与えられます。U =k Q q / r
ここで、k はクーロン定数です。
r は 2 つの電荷の間隔です。
電界による電位の変化について説明しましょう。正電荷が電場に逆らって移動すると、ポテンシャルエネルギーが増加します。対照的に、正電荷が電場の方向に移動すると、ポテンシャルエネルギーは減少します。負電荷の場合、逆の変化が起こります。荷電粒子が磁場を横切るまで、電位は経路に依存しません。
2 点間のポテンシャル エネルギーの差により、ある点から別の点に電荷を移動する際に行われる仕事が得られます。
点電荷による電位
物質の基本部分は、点電荷である電子です。金属表面による電荷分布に精通している必要があります。この球状の電荷分布により、外部フィールドが作成されます。点電荷は、同様の外部電場を作成します。点電荷による電位について詳しく議論する必要があります.
静電力/電力が電界のある点に適用される場合、電位は、正の単位電荷を無限から移動させるのに必要な仕事量の尺度として特徴付けられます。ある点での電荷を考えてみましょう。電界が存在するため、それによって作成された電荷が電力/力を適用します。 r が正電荷 +q から離れている場合、電位は次のように表されます:
V =q/4πϵ0r
どこで、
正電荷では、r は位置ベクトルです
q はソース電荷です
ボルトは電位の単位です。
1 ボルト =1 ジュール クーロン-¹
静電場に対する電場によって無限遠から特定の点に 1 クーロンの電荷を移動させることによって仕事が行われる点で、静電ポテンシャルは 1 ボルトであると想定されます。
電位の重ね合わせ
電位はスカラー量であり、荷電粒子系の場合、代数法則を使用して電位を簡単に加算できます。点から r1、r2、r3… の距離にある q1、q2、q3… を含む荷電粒子のシステムを考えてみましょう。すると、この時点でのポテンシャルは
問題
1. 4C の電荷による 5 m の距離での電位を求めます。
解決策:ここでは、r=5 および q=4
次の式に与えられた値を代入すると、取得されます
2. 5pC の電荷による 1 m の距離での電位を求めます。
結論
ご覧のとおり、静電ポテンシャルは、必要な作業を評価するために重要な電荷配置の周囲の領域のスカラー表現です。電荷は場に囲まれているため、移動したい場合は仕事をしなければなりません。電荷が移動するときに生成するエネルギーは、その電位エネルギーと呼ばれます。点電荷の電位は V =q/4πϵ0r で与えられます。この式から、荷電粒子を発生源から遠ざけるほど、電位が低くなることがわかります。電位は無限遠でゼロです。また、重ね合わせの原理を使用して、粒子系の電位を計算します。正電荷が電場に逆らって移動すると、ポテンシャルエネルギーが増加します。対照的に、正電荷が電場の方向に移動すると、ポテンシャルエネルギーは減少します。負電荷の場合、逆の変化が起こります。
