Napon i električni potencijal

Električna potencijalna energija

Naboj koji se nalazi u električnom polju ima električnu potencijalnu energiju. Ako želimo premjestiti taj naboj unutar električnog polja, moramo savladati električnu silu, tj. moramo obaviti rad jednak radu koji bi obavila električna sila pri pomicanju tog naboja. Taj je rad jednak razlici električnih potencijalnih energija u zadanim točkama.

Eletrični potencijal

Električni potencijal definiramo kao rad koji je potrebno obaviti da bismo nabijenu česticu doveli iz beskonačnosti u neku točku u prostoru. Električna potencijalna energija i električni potencijal u beskonačnosti su jednaki nuli jer beskonačnost zamišljamo kao mjesto dovoljno daleko da ne osjetimo utjecaj električnog polja. Zato možemo reći da je rad koji trebamo obaviti zapravo jednak električnoj potencijalnoj energiji u točki gdje želimo dovesti naboj \(Q\). Električni potencijal označavamo grčkim slovom \(\varphi\) (fi), a mjerena jedinica je volt [V]. On je po iznosu jednak:

Kada je riječ o točkastom naboju, potencijal koji takav naboj \(Q\) stvara na udaljenosti \(r\) proporcionalan je samom naboju i obrnuto proporcionalan udaljenosti od njega:

Ekvipotencijalne plohe

S obzirom na to da električni potencijal točkastog naboja ovisi o udaljenosti zatvaranjem kružnica na istoj udaljenosti dobit ćemo mjesta na kojima je vrijednost potencijala jednaka. Te kružnice zovu se ekvipotencijalne plohe. Dakle, ekvipotencijalne plohe su linije koje spajaju mjesta na istom potencijalu.

Električni napon

Ako želimo premjestiti naboj između točaka čiji potencijali nisu jednakog iznosa, potrebno je obaviti rad. Razliku između potencijala zovemo električni napon.

Električni napon definiramo i kao omjer rada koji trebamo obaviti da bismo naboj \(Q\) premjestili iz točke A u točku B i samog naboja \(Q\).

Električni potencijal i polje nabijene metalne kugle

Kada trodimenzionalno tijelo poput kugle nabijemo određenom količinom naboja, taj će se naboj raspodijeliti po površini tog tijela. Ako promatramo električno polje unutar kugle, naboji na suprotnim stranama (simetrični) stvaraju u sredini kugle polje jednakog iznosa, ali suprotnog smjera pa je ukupno polje unutar kugle jednako nula. S obzirom na to da električni potencijal nije vektorska veličina doprinos naboja na površini se unutar kugle zbraja pa potencijal unutar kugle ima određeni konstantan iznos.

Grafovi pokazuju ovisnost potencijala (crvena krivulja) i električnog polja (narančasta krivulja) o udaljenosti od središta kugle. Vidimo da je sve dok ne dođemo do udaljenosti koja je jednaka polumjeru kugle \(R\) električno polje jednako nuli, a potencijal ima stalan iznos različit od nule. Kada se udaljavamo od površine, električno polje i potencijal kugle jednaki su kao i kod točkastog naboja.