|
Het elektrisch potentiaal is een moeilijk begrip om zonder wiskunde uit te leggen. In dit artikel wordt een poging gewaagd om dat toch te doen door het te vergelijken met een mechanisch equivalent.
|
Wat is het elektrisch potentiaal?
Een mechanisch equivalent
Voor het begrijpen van het begrip elektrisch potentiaal moet u even terug grijpen naar de klassieke mechanica. Als u een kogel van de grond optilt en verplaatst naar een hoogte van één meter, dan moet u arbeid of energie verrichten. Die energie wordt als het ware opgeslagen in de kogel, want als u de kogel weer loslaat zal deze naar beneden vallen, waar uiteraard ook weer energie voor nodig is. De energie die in potentie in een kogel (of gelijk welk voorwerp) aanwezig is, noemt men potentiële energie. Het voorwerp is in staat energie te leveren, op het moment dat hiervoor de voorwaarden geschapen worden.
| FORMULES IN DIT ARTIKEL |
|---|
| VERMENIGVULDIGEN:
Het vermenigvuldigingsteken wordt voorgesteld door een bullet tussen de factoren: a • b = c DELEN: Het gedeeld door teken wordt voorgesteld door een schuine streep: a / b = c |
Elektrische potentiële energie
Vanwege de natuurkundige importantie van het begrip energie heeft men gezocht naar een mogelijkheid om dit begrip ook in de elektriciteitsleer in te voeren. De redenering wordt verklaard aan de hand van onderstaande figuur. Stel dat ergens in de ruimte een elektrisch veld aanwezig is, dat uiteraard gedefinieerd kan worden door de elektrische veldsterkte E. Stel nu dat in dit veld op punt A een elektrische lading q0 wordt geplaatst. Deze lading zal een Coulomb-kracht ondervinden, die gegeven wordt door de uitdrukking:
F = q0 • E
Om de lading van punt A naar punt B te verplaatsen moet een tegengestelde kracht -F worden uitgeoefend op de lading. Volgens de algemene wetten van de mechanica kan de arbeid die hiervoor nodig is uitgedrukt worden door:
W = -F • s
Hierin is s een vectorfunctie die de afstand beschrijft die wordt afgelegd door de lading.
Als in de mechanica een hoeveelheid arbeid op een vallend lichaam wordt uitgeoefend, dus tegen de zwaartekracht in, stijgt de potentiële energie van het voorwerp met W. Iets dergelijks kunt u zich ook voorstellen als op een lading q0 een hoeveelheid arbeid wordt uitgeoefend, tegen de veldkracht in. Die toename van de potentiële energie van de lading wordt het elektrisch potentiaal van de lading genoemd. Deze elektrische potentiële energie wordt voorgesteld door het symbool U en het energieverschil tussen de toestand in punt B en in punt A met ΔU.
 |
| Definitie van het begrip elektrisch potentiaal. (© 2017 Jos Verstraten) |
Δ is een Griekse letter, die als delta wordt uitgesproken. In de wis- en natuurkunde gebruikt men Δ steeds voor het uitdrukken van kleine verschillen in de waarde van een en dezelfde grootheid.
Het elektrisch potentiaalverschil, de volt
Van potentiaal naar spanning
U kunt dit verschil in potentiële energie (in vereenvoudigde vorm zonder gebruik te maken van integraalrekening) uitdrukken door de formule:
ΔU = UB - UA = -[q0 • E • s]
Nu is men niet zo geïnteresseerd in de potentiële energie die nodig is om een bepaalde lading te verplaatsen in een elektrisch veld. Veel interessanter is het om de potentiële energie te weten die nodig is per eenheid van lading. Deze grootheid wordt uitgedrukt door het symbool V en wordt alleen bepaald door het eigenschap van het elektrisch veld. Arbeid en energie zijn scalaire grootheden, dus zonder vectoriële richting, zodat ook het elektrisch potentiaalverschil een zuiver scalaire eenheid is. Als eenheid werd de volt (V) gekozen, die overeen komt met newtonmeter per coulomb. Aangezien een Nm meestal wordt vervangen door een joule, kan de eenheid van elektrisch potentiaalverschil ook worden geschreven als J/C.
Definitie van de volt
Het voorgaande kan kort en krachtig worden samengevat. Als er een potentiaal verschil bestaat van 1 V tussen twee plaatsen in een elektrisch veld, dan kost het één joule aan energie om een lading van één coulomb van het ene naar het andere punt te verplaatsen. Maar omgekeerd kan natuurlijk ook gesteld worden dat 1 V de hoeveelheid energie voorstelt, die het heersende elektrisch veld moet verrichten om de eenheidslading van het andere naar het ene punt te verplaatsen. Beide definities zijn complementair, maar de tweede drukt uiteraard veel beter uit dat het begrip elektrisch potentiaal of elektrische spanning in wezen niets meer of minder is dan een indicatie voor een hoeveelheid verrichte energie.
Nieuwe definitie van elektrische veldsterkte
De elektrische veldsterkte E werd gedefinieerd als de evenredigheidsfactor tussen een lading Q en de kracht F die op de lading wordt uitgeoefend:
F = E • Q
waaruit volgt:
E = F / Q
Als u een lading Q van A naar B wilt verplaatsen en tussen beide punten staat een potentiaal verschil van V, dan moet u daarvoor een arbeid verrichten van:
W = Q • V
Die arbeid kan echter ook uitgedrukt worden als de noodzakelijke kracht F maal de verplaatsing s:
W = F • s
Beide formules drukken dezelfde grootheid uit, dus:
Q • V = F • s
Hieruit volgt:
F / Q = V / s
De linker term van deze formule is gelijk aan de elektrische veldsterkte E. Deze is dus gelijk aan V gedeeld door s. Met andere woorden, u kunt de elektrische veldsterkte ook uitdrukken in de eenheid Volt per meter (V/m).
Elektrisch potentiaal ten opzichte van de aarde
Uit de definitie van het potentiaalverschil volgt duidelijk dat deze grootheid steeds een verschil uitdrukt tussen de potentialen op twee verschillende plaatsen in een elektrisch veld. Nu is dat een beetje een onhandige definitie. Vandaar dat men in de meeste gevallen aan een van de punten een energie van nul toekent. Het potentiaalverschil wordt dan herleid tot het potentiaal zonder meer. Dat is dan het potentiaal op één punt ten opzichte van een referentiepunt, waarvan het potentiaal op nul wordt gesteld. In wezen doet het er niet toe welk punt u als nulreferentie gebruikt.
In de theoretische elektriciteitsleer wordt meestal een punt in het oneindige genomen. In de praktijk van alledag werkt u echter steeds met het potentiaal van de aarde als nulreferentie. Deze kan als constant beschouwd worden, omdat bij elektrische metingen steeds direct of indirect met de invloed van de aarde rekening gehouden moet worden. Men spreekt dan van spanning ten opzichte van de aarde en het is deze grootheid die in de praktische elektriciteit en elektronica door het leven gaat als dé spanning.
Het begrip elektronvolt
Een andere grootheid voor hetzelfde fysische verschijnsel
Tot slot van dit artikel zij nog vermeld dat naast de volt ook de eenheid elektronvolt (eV) wordt gebruikt voor het uitdrukken van elektrische potentiële energie. Een energie van 1 eV wordt verricht als de lading van één elektron wordt verplaatst tegen een potentiaalverschil van 1 V. Omdat de lading van een elektron gelijk is aan 1,60218 • 10-19 C, kunt u dus zonder meer stellen dat de energie van 1 eV gelijk is aan 1,60218 • 10-19 J. Het begrip eV wordt niet vaak gebruikt in de elektronica, maar des te meer in de moderne natuurkunde. Als elektronen en protonen versneld worden in versnellers gaat hun energie stijgen. Dergelijke energieën worden steeds uitgedrukt in eV.
|
|
Koop uw labvoeding bij AliExpress
