مقياس طاقة الوضع الكهربائية في دائرة كهربائية كاملة هو ، كان من المنطقي أن حركة شحنة اختبار موجبة داخل مجال كهربائي مصحوبة بتغيرات في الطاقة الكامنة. تم الاعتماد على تشبيه الجاذبية لشرح الأسباب الكامنة وراء العلاقة بين الموقع والطاقة الكامنة. إن تحريك شحنة اختبار موجبة عكس اتجاه مجال كهربائي يشبه تحريك كتلة لأعلى داخل مجال الجاذبية الأرضية. كلتا الحركتين ستكون مثل الخروج مع الطبيعة وسيتطلب العمل من قبل قوة خارجية. سيؤدي هذا العمل بدوره إلى زيادة الطاقة الكامنة للجسم. من ناحية أخرى، فإن حركة شحنة اختبار موجبة في اتجاه مجال كهربائي ستكون مثل كتلة تسقط لأسفل داخل مجال جاذبية الأرض. كلتا الحركتين ستكون مثل الذهاب مع الطبيعة وستحدث دون الحاجة إلى عمل من قبل قوة خارجية. ستؤدي هذه الحركة إلى فقدان الطاقة الكامنة. الطاقة الكامنة هي الطاقة المخزنة لموضع الجسم وترتبط بموقع الكائن داخل الحقل. في هذا القسم من الدرس 1، سوف نقدم مفهوم الجهد الكهربائي ونربط هذا المفهوم بالطاقة الكامنة لشحنة اختبار موجبة في مواقع مختلفة داخل مجال كهربائي من خلال هذا المقال.

إعادة النظر في قياس الجاذبية

يوجد مجال جاذبية حول الأرض يمارس تأثيرات الجاذبية على جميع الكتل الموجودة في الفضاء المحيط بها. تحريك الجسم لأعلى عكس مجال الجاذبية يزيد من طاقة وضع الجاذبية. الجسم المتحرك للأسفل داخل مجال الجاذبية سيفقد طاقة وضع الجاذبية. عندما تم إدخال طاقة الجاذبية الكامنة في الوحدة الخامسة من فصل الفيزياء ، تم تعريفها على أنها الطاقة المخزنة في كائن بسببالوضع الرأسي فوق الأرض. تعتمد كمية طاقة الجاذبية الكامنة المخزنة في جسم ما على مقدار الكتلة التي يمتلكها الجسم ومقدار الارتفاع الذي تم رفعه إليه. تعتمد طاقة الجاذبية الكامنة على كتلة الجسم وارتفاع الجسم. سيكون للجسم الذي تبلغ كتلته ضعف كتلة الطاقة الكامنة ضعف طاقة الوضع والجسم الذي يزيد ارتفاعه عن ضعف الطاقة الكامنة. من الشائع الإشارة إلى المناصب العالية على أنها مواقع ذات طاقة محتملة عالية. تكشف نظرة سريعة على الرسم البياني على اليمين مغالطة مثل هذا البيان. لاحظ أن كتلة 1 كجم الموجودة على ارتفاع 2 متر لها نفس الطاقة الكامنة لكتلة 2 كجم مثبتة على ارتفاع 1 متر. تعتمد الطاقة الكامنة على أكثر من مجرد موقع ؛ كما أنه يعتمد على الكتلة. بهذا المعنى،
1) الكتلة - خاصية للجسم تختبر مجال الجاذبية
2) الارتفاع - الموقع داخل مجال الجاذبية
لذلك من غير المناسب الإشارة إلى المواقع العالية داخل مجال جاذبية الأرض على أنها مواقع طاقة محتملة عالية. ولكن هل هناك كمية يمكن استخدامها لتقييم مثل هذه الارتفاعات باعتبارها ذات إمكانات كبيرة لتوفير كميات كبيرة من الطاقة الكامنة للكتل الموجودة هناك؟ نعم! في حين لم يناقش خلال وحدة على الطاقة الكامنة الجاذبية، فإنه كان من الممكن لإدخال كمية المعروفة باسم الجاذبية المحتملة- الطاقة الكامنة لكل كيلوجرام. ستكون إمكانات الجاذبية كمية يمكن استخدامها لتقييم المواقع المختلفة حول سطح الأرض من حيث مقدار الطاقة الكامنة التي يمتلكها كل كيلوغرام من الكتلة عند وضعه هناك. يتم تعريف كمية جهد الجاذبية على أنها PE / الكتلة. نظرًا لأن كل من بسط ومقام PE / الكتلة يتناسبان مع كتلة الكائن ، يصبح التعبير مستقلاً عن الكتلة. إمكانات الجاذبية هي كمية تعتمد على الموقع وهي مستقلة عن كتلة الجسم الذي يمر بالمجال. يصف جهد الجاذبية تأثيرات مجال الجاذبية على الأشياء الموضوعة في مواقع مختلفة داخله.
إذا كان جهد الجاذبية وسيلة لتصنيف مواقع مختلفة داخل مجال الجاذبية من حيث كمية الطاقة الكامنة لكل وحدة كتلة ، فإن مفهوم الجهد الكهربي يجب أن يكون له نفس المعنى. ضع في اعتبارك المجال الكهربائي الناتج عن مولد فان دي غراف موجب الشحنة. اتجاه المجال الكهربائي في اتجاه شحنة اختبار موجبةيتم دفعها في هذه الحالة ، يكون الاتجاه في الخارج بعيدًا عن كرة فان دي غراف. سيكون العمل مطلوبًا لتحريك شحنة اختبار موجبة نحو الكرة مقابل المجال الكهربائي. يعتمد مقدار القوة المتضمنة في القيام بالعمل على مقدار الشحنة التي يتم تحريكها (وفقًا لقانون كولوم للقوة الكهربائية). كلما زادت شحنة الشحنة الاختبارية ، زادت قوة التنافر وزاد الشغل الذي يتعين القيام به عليها لتحريكها على نفس المسافة. إذا تم تحريك جسمين لهما شحنة مختلفة - أحدهما ضعف شحنة الآخر - بنفس المسافة في المجال الكهربائي ، فإن الجسم الذي يحتوي على ضعف الشحنة سيتطلب ضعف القوة وبالتالي ضعف مقدار الشغل. سيغير هذا العمل الطاقة الكامنة بمقدار يساوي مقدار الشغل المنجز. هكذا، تعتمد طاقة الوضع الكهربائي على كمية الشحنة على الجسم الذي يمر بالمجال وعلى الموقع داخل المجال. تمامًا مثل طاقة وضع الجاذبية ، تعتمد طاقة الوضع الكهربائي على نوعين على الأقل من الكميات:
1) الشحنة الكهربائية - خاصية الكائن الذي يمر بالمجال الكهربائي
2) المسافة من المصدر - الموقع داخل المجال الكهربائي
بينما تعتمد طاقة الوضع الكهربي على شحنة الجسم الذي يمر بالمجال الكهربائي ، فإن الجهد الكهربائي يعتمد تمامًا على الموقع. الجهد الكهربي هو الطاقة الكامنة لكل شحنة.
يستخدم مفهوم الجهد الكهربائي للتعبير عن تأثير المجال الكهربائي للمصدر من حيث الموقع داخل المجال الكهربائي. شحنة اختبار مع ضعف كمية الشحنة تمتلك ضعف الطاقة الكامنة في موقع معين ؛ ومع ذلك ، فإن جهده الكهربائي في هذا الموقع سيكون هو نفسه أي شحنة اختبار أخرى. تكون شحنة الاختبار الموجبة عند جهد كهربائي مرتفع عند الإمساك بها بالقرب من شحنة مصدر موجبة وبإمكانات كهربائية منخفضة عند الإمساك بها بعيدًا. بهذا المعنى ، يصبح الجهد الكهربائي ببساطة خاصية للموقع داخل مجال كهربائي. لنفترض أن الجهد الكهربي في موقع معين هو 12 جول لكل كولوم ، فهذا هو الجهد الكهربي لكولوم واحد أو جسم مشحون بمقدار 2 كولوم. يوضح أن الجهد الكهربائي في موقع معين هو 12 جول لكل كولوم ،

الجهد الكهربائي في الدوائر

عندما نبدأ في مناقشة الدوائر الكهربائية ، سنلاحظ أن الدائرة الكهربائية التي تعمل بالبطارية لها مواقع ذات إمكانات عالية ومنخفضة. ستواجه الشحنة التي تتحرك عبر أسلاك الدائرة تغيرات في الجهد الكهربي أثناء عبورها للدائرة. داخل الخلايا الكهروكيميائية للبطارية ، يوجد مجال كهربائي بين الطرفين ، موجه من الطرف الموجب نحو الطرف السالب. على هذا النحو ، فإن حركة شحنة اختبار موجبة عبر الخلايا من الطرف السالب إلى الطرف الموجب تتطلب العمل ، وبالتالي زيادة الطاقة الكامنة لكل كولوم من الشحنة التي تتحرك على طول هذا المسار. هذا يتوافق مع حركة شحنة موجبة ضد المجال الكهربائي. ولهذا السبب يوصف الطرف الموجب بأنه الطرف ذو الإمكانات العالية. قد يؤدي التفكير المماثل إلى استنتاج أن حركة الشحنة الموجبة عبر الأسلاك من الطرف الموجب إلى الطرف السالب ستحدث بشكل طبيعي. ستكون مثل هذه الحركة لشحنة اختبار موجبة في اتجاه المجال الكهربائي ولن تتطلب جهدًا. ستفقد الشحنة الطاقة الكامنة أثناء التحركات عبرالدائرة الخارجية من الطرف الموجب إلى الطرف السالب. يوصف الطرف السالب بالمحطة المنخفضة الجهد. يفترض هذا التخصيص للإمكانات العالية والمنخفضة لأطراف الخلية الكهروكيميائية التقاليد التقليدية بأن المجالات الكهربائية تعتمد على اتجاه حركة شحنات الاختبار الإيجابية.
يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية كامنة داخل الدائرة الداخلية (أي البطارية). بمجرد الوصول إلى المحطة ذات الإمكانات العالية ، ستنتقل شحنة اختبار موجبة عبر الدائرة الخارجية وتعمل على المصباح الكهربائي أو المحرك أو ملفات السخان ، وتحويل طاقتها المحتملة إلى أشكال مفيدة تم تصميم الدائرة من أجلها.