مفهوم پتانسیل الکتریکی به زبان ساده

در این مقاله در رابطه با موضوع پتانسیل الکتریکی به صحبت می‌پردازیم و چیستی آن را مورد بررسی قرار می‌دهیم. در مقاله‌های قانون کولن و بار الکتریکی، در رابطه با این دو مورد صحبت کردیم و توصیه می‌کنیم قبل از مطالعه این مطلب، آن‌ها را مطالعه نمایید.

قبل از وارد شدن به موضوع اصلی، ابتدا باید این سوال را مطرح کنیم که پتانسیل به تنهایی چه مفهومی دارد و سپس به بررسی پتانسیل از نوع الکتریکی بپردازیم.

پتانسیل چیست؟

آیا شما پتانسیل انجام دادن هر کاری را دارید؟! در این سوال منظور از پتانسیل چیست؟! آیا در ذهن شما تعریف دقیقی در رابطه با پتانسیل وجود دارد؟! این کلمه شاید بارها توسط ما مورد استفاده قرار گیرد اما از لحاظ معنا توجه چندانی به آن نکرده باشیم!

در علوم مکانیک کلاسیک، نیرو، انرژی و پتانسیل با یکدیگر رابطه مستقیمی دارند. اگر نیرویی بر یک جسم وارد شود و باعث حرکت دادن آن در یک جهت شود، یعنی انرژی پتانسیل آن کاهش پیدا کرده است. یک توپ را در نظر بگیرید که در بالای یک تپه قرار دارد. اگر به آن نیرویی وارد شود و آن را به حرکت در بیاورد، باعث کاهش انرژی پتانسیل گرانشی آن می‌شود و در واقع به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

با توجه به قانون پایستگی انرژی، انرژی‌ها نه به وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند، بلکه از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شوند. در مثال توپ بالای تپه، به علت ارتفاعی که از زمین وجود دارد، یک انرژی در درون توپ ذخیره شده است که با اعمال نیروی اولیه به آن برای به حرکت درآمدن، این انرژی درونی یعنی همان پتانسیل، به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و رفته رفته کاهش می‌یابد. این تبدیل انرژی وابسته به نیرویی است که در ابتدا به آن اعمال شد.

ماهیت پتانسیل الکتریکی

یک بار الکتریکی مثبت را در نظر بگیرید؛ گفتیم که این بار در اطراف خود میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که اگر بار دیگری در محدوده آن قرار گیرد به آن نیرو وارد می‌کند. حال اگر یک بار الکتریکی مثبت را به آن نزدیک کنیم، به آن نیرو وارد می‌کند و آن را دفع می‌کند. یعنی باعث حرکت دادن بار جدید در یک جهت می‌شود.

پس نیرویی به بار الکتریکی وارد می‌کند و باعث ایجاد انرژی جنبشی در آن می‌شود. آیا این انرژی جنبشی می‌تواند ناگهانی به وجود آمده باشد؟ پاسخ مشخص است: خیر. این انرژی حاصل از تبدیل یک انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی است. این انرژی پتانسیل وابسته به نیرویی الکتریکی است که بین این دو ذره باردار وجود دارد.

تعریف پتانسیل الکتریکی

با توجه به توضیحاتی که داده شد، اکنون می‌توانیم پتانسیل الکتریکی برای یک نقطه را تعریف کنیم:

“انرژی لازم (کار لازم) برای انتقال یک بار الکتریکی مثبت از بی نهایت به نقطه مد نظر است.”

یک کره فلزی را در نظر بگیرید که بر روی یک پایه عایق قرار گرفته است. مقدار کاری که انجام می‌شود تا بار الکتریکی q بر روی کره فلزی انباشته شود، به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی U بر روی کره ذخیره می‌شود. حال برای تعریف پتانسیا الکتریکی:

“نسبت انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده به مقدار بار الکتریکی را پتانسیل الکتریکی می‌گویند.”

V = U / q

U : انرژی پتانسیل الکتریکی بر حسب ژول (j)

q : بار الکتریکی بر حسب کولن (C)

V : پانسیل الکتریکی بر حسب ولت (v)

مقدار پتانسیل الکتریکی می‌تواند مثبت یا منفی باشد که این موضوع وابسته به نوع بار الکتریکی است. اگر بارهای الکتریکی انباشته شده مثبت باشند، پتانسیل الکتریکی مثبت و اگر منفی باشند، پتانسیل الکتریکی منفی خواهد بود.

مثال

یک کره را در نظر بگیرید که مقدار 5 میکرو کولن بار الکتریکی روی آن انباشته شده باشد. اگر انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده در آن 20 میلی ژول باشد، آنگاه:

V = (20*10^-3) / (5*10^-6)

V = 4000 v

پتانسیل الکتریکی زمین

برای زمین مقدار پتانسیل الکتریکی برابر با صفر است، زیرا مقدار بارهای الکتریکی مثبت و منفی در آن برابر است. زمین منبع سرشار از بارهای الکتریکی مثبت و منفی است. می‌توان بار الکتریکی از آن دریافت نمود و یا به آن بار الکتریکی داد.

در مدارهای الکتریکی از پتانسیل الکتریکی زمین استفاده‌های متفاوتی می‌شود؛ قرار دادن زمین به عنوان پتانسیل مرجع، استفاده از آن برای تشکیل مدارهای حفاظتی و ایمنی و …