Кіріспе

Кеңістіктегі екі нүкте арасындағы электр потенциалының айырмашылығы

Кернеу, сондай-ақ (электрлік) потенциалдың айырмашылығы, электр қысымы немесе электр кернеуі деп аталады, бұл екі нүкте арасындағы электр потенциалының айырмашылығын білдіреді. Статикалық электр өрісінде ол оң сынақ зарядын бірінші нүктеден екінші нүктеге жылжытуға қажетті жұмыс мөлшеріне тең, бірлік зарядқа шаққанда. Халықаралық бірліктер жүйесінде (СИ) кернеудің өлшем бірлігі – вольт (В) болып табылады. Нүктелер арасындағы кернеу электр зарядының жиналуынан (мысалы, конденсатор) немесе электр қозғалтқыш күшінен (мысалы, генератордағы электромагниттік индукция) туындауы мүмкін. Макроскопиялық деңгейде потенциалдар айырмашылығы электрохимиялық процестер (мысалы, элементтер мен аккумуляторлар), қысымның әсерінен туындайтын пьезоэлектрлік эффект және термоэлектрлік эффект нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Электр потенциалының айырмашылығы болғандықтан, ол физикалық скаляр шама болып табылады. Кернеуді жүйедегі екі нүкте арасында өлшеу үшін вольтметр қолданылады. Көбінесе жүйенің жері сияқты ортақ потенциал нүктелердің бірі ретінде пайдаланылады. Кернеу энергия көзімен де, энергияның жоғалуымен, таралуымен немесе сақталуымен де байланысты болуы мүмкін.

Анықтама

Бірлік зарядқа арналған жұмыстың СИ бірлігі – кулонға шаққандағы джоуль, мұнда 1 вольт = 1 кулон зарядқа шаққандағы 1 джоуль (жұмыстың). Вольт үшін бұрынғы СИ анықтамасында қуат және ток қолданылды; 1990 жылдан бастап кванттық Холл және Джозефсон эффектілері пайдаланылды, ал 2019 жылы барлық СИ бірліктерінің анықтамасы үшін физикалық тұрақтыларға нақты мәндер берілді. Кернеуді символдық түрде ℰ, қарапайымдатылған V деп белгілейді, әсіресе ағылшын тілді елдерде. Халықаралық деңгейде U символы қабылданған. Ол, мысалы, Ом және Кирхгоф заңдарының аясында қолданылады. Электрохимиялық потенциал – вольтметрмен тікелей өлшенетін кернеу. Әртүрлі материалдардың қосылыстары бар құрылымдардағы Гальвани потенциалы да зарядқа шаққандағы жұмыс болып табылады, бірақ оны сыртқы тізбекте вольтметрмен өлшеуге болмайды (қараңыз). Кернеу осылай анықталады: теріс зарядталған денелер жоғары кернеуге, ал оң зарядталған денелер төмен кернеуге тартылады. Сондықтан сым немесе резистордағы ток әдетте жоғары кернеуден төмен кернеуге қарай ағады. Тарихи тұрғыдан алғанда, кернеуді "кернеу" және "қысым" сияқты терминдермен атады. Күні бүгінге дейін "кернеу" термині қолданылады, мысалы, термоэлектрондық клапан (вакуумдық түтік) және автомобиль электроникасында жиі қолданылатын "жоғары кернеу" (ЖК) тіркесімінде.

Электростатика

Электростатикада кернеудің бір нүктеден екінші нүктеге өсуі электростатикалық потенциалдың өзгеруімен сипатталады. Анықтама бойынша, бұл:

мұндағы – электр өрісінің күшін көрсетеді. Осыған сәйкес, А нүктесінен В нүктесіне кернеудің өсуі, зарядты А нүктесінен В нүктесіне жылдамдатусыз, электр өрісіне қарсы бірлік зарядқа жасалған жұмысқа тең. Дегенмен, электр және магнит өрістерінің тез өспейтін төмен жиіліктерде бұл фактор ескерілмейді (электростатикалық жуықтауды қараңыз).

Электродинамика

Электр потенциалын электродинамикаға жалпылауға болады, сондықтан нүктелер арасындағы электр потенциалының айырмашылықтары уақыт өзгеретін өрістердің болуында да дұрыз анықталады. Дегенмен, электростатикадан өзгеше, электр өрісін енді тек электр потенциалы арқылы ғана түсіндіруге болмайды. Электр өрісінің сызықтық интегралына қатысты "кернеу" сөзін қолданыңыз, электр потенциалының айырмашылығына емес. Осы жағдайда, белгілі бір жол бойындағы кернеудің өсуі: бірақ, осы жағдайда екі нүкте арасындағы "кернеу" таңдалған жолға байланысты болады.

Сұлба теориясы

Схемаларды талдау және электр техникасында схемаларды көрсету және талдау үшін жиынтық элементтік модельдер қолданылады. Бұл элементтер физикалық компоненттерді модельдеу үшін пайдаланылатын идеализацияланған және дербес схема элементтері болып табылады. Жиынтық элементтік модельді қолданғанда, схема тудыратын өзгеретін магниттік өрістердің әсері әрбір элемент ішінде тиісінше шектелгендігі қабылданады. Егер схема бойынша шектелмеген магниттік өрістер маңызды болмаса, олардың әсерін өзара индуктивтілік элементтерін қосу арқылы модельдеуге болады. Бірақ физикалық индуктор жағдайында, идеалды жиынтық көрсету көбінесе дәл болады. Бұл индукторлардың сыртқы өрістері көбінесе елеусіз болғандықтан, әсіресе индуктордың магниттік жолы жабық болса. Сыртқы өрістер елеусіз болса, онда оның жолға тәуелсіз екенін және индуктордың қосылған жерлерінде анықталған кернеу бар екенін анықтаймыз. Сондықтан индуктордың бойындағы вольтметрмен жүргізілетін өлшемдер сынау сымдарының орналасуына шамалы тәуелді болады.

Вольт

Вольт (символ: "V") – электр потенциалы, кернеу және электр қозғалтқыш күшінің туынды бірлігі. Вольт итальян физигі Алессандро Вольтаның (1745–1827) құрметіне аталған, ол вольттік тіреуішті, болжам бойынша, алғашқы химиялық батареяны ойлап тапқан.

Гидравликалық ұқсастық

Электрлік схеманы түсіну үшін қарапайым мысал – механикалық сорғымен жұмыс істейтін құбырлардың жабық жүйесінде ағатын су. Бұны «су схемасы» деп атауға болады. Екі нүкте арасындағы потенциалдар айырмасы екі нүкте арасындағы қысым айырмасына сәйкес келеді. Егер сорғы екі нүкте арасында қысым айырмашылығын жасаса, онда бір нүктеден екінші нүктеге ағып жатқан су турбинаны қозғау сияқты жұмыс істей алады. Сол сияқты, жұмыс батареяның қамтамасыз ететін потенциалдар айырмасымен қоздырылатын электр тогы арқылы да орындалуы мүмкін. Мысалы, жеткілікті зарядталған автомобиль аккумуляторының кернеуі автомобильдің стартер моторының орамдары арқылы үлкен ток жіберуге мүмкіндік береді. Егер сорғы жұмыс істемесе, ол қысым айырмашылығын жасамайды, сондықтан турбина айналмайды. Сол сияқты, егер автомобиль аккумуляторы өте әлсіз немесе «құрғақ» (немесе «тоқсызданған») болса, ол стартер моторын іске қоспайды. Гидравликалық мысал электрлік ұғымдарды түсінудің тиімді тәсілі болып табылады. Мұндай жүйеде суды жылжытуға жұмсалған жұмыс «қысымның төмендеуіне» (салыстыру p. d.) көбейтілген су көлеміне тең. Сол сияқты, электрлік схемада электрондарды немесе басқа заряд тасымалдаушыларды жылжытуға жұмсалған жұмыс «электрлік қысым айырмасына» көбейтілген заряд мөлшеріне тең. «Ағын» тұрғысынан қарағанда, екі нүкте арасындағы «қысым айырмасы» (потенциалдар айырмасы немесе су қысымы айырмасы) қаншалықты үлкен болса, олардың арасындағы ағын (электр тогы немесе су ағыны) соншалықты жоғары болады. («Электр қуаты» дегенді қараңыз.)

Қолданбалар

Кернеуді өлшеуді көрсету үшін, кернеу қай нүктелер арасында өлшенетіні нақты немесе түсініксіз түрде көрсетілуі керек. Вольтметрді кернеуді өлшеу үшін қолданғанда, вольтметрдің бір электр сымы бірінші нүктеге, ал екіншісі екінші нүктеге қосылуы тиіс. "Кернеу" термині көбінесе электр құрылғысының (мысалы, резистордың) бойымен түсетін кернеуді сипаттау үшін қолданылады. Құрылғы бойымен түсетін кернеу – бұл құрылғының әр терминалындағы ортақ нүктеге (немесе жерге) қатысты өлшемдердің айырмасы. Кернеудің төмендеуі – екі көрсеткіш арасындағы айырма. Электр тізбегіндегі кедергісіз және өзгеретін магнит өрісінде болмаған идеалды өткізгішпен байланысқан екі нүктенің арасындағы кернеу нөлге тең болады. Бірдей потенциалы бар кез келген екі нүктені өткізгішпен қосуға болады, және олардың арасында ток ағыны болмайды.

Кернеулерді қосу

А мен С арасындағы кернеу, А мен В арасындағы кернеу және В мен С арасындағы кернеудің қосындысына тең. Электр тізбегіндегі әртүрлі кернеулерді Кирхгоффтың тізбек заңдарын қолдану арқылы есептеуге болады. Кезектес ток туралы сөз болғанда, жедел кернеу мен орташа кернеу арасында айырмашылық бар. Жедел кернеулерді тұрақты ток (DC) және кезектес ток (AC) үшін қосуға болады, бірақ орташа кернеулерді тек бірдей жиілік және фазаға ие сигналдарға қатысты болғанда ғана мағыналы түрде қосуға болады.

Өлшеу құралдары

Кернеуді өлшеуге арналған аспаптар вольтметр, потенциометр және осциллоскопты қамтиды. Аналогты вольтметрлер, мысалы, қозғалмалы катушкалы аспаптар, белгілі кедергі арқылы өтетін токты өлшеу арқылы жұмыс істейді, ал Ом заңына сәйкес, бұл ток кедергідегі кернеуге пропорционалды. Потенциометр белгісіз кернеуді көпірлік схемадағы белгілі кернеумен теңестіру принципі бойынша жұмыс істейді. Катодты сәулелі осциллоскоп кернеуді күшейтеді және осы күшейтілген кернеуді электронды сәулені түзу сызықтан бұру үшін пайдаланады, сонда сәуленің бұрылуы кернеуге пропорционалды болады.

Типтік кернеулер

Фонарь батареяларының әдеттегі кернеуі 1,5 вольт (DC) құрайды. Автомобиль батареялары үшін әдеттегі кернеу 12 вольт (DC) болып табылады. Электр энергиясын өндіруші компаниялар тұтынушыларға 110-ден 120 вольтқа (AC) және 220-дан 240 вольтқа (AC) дейін кернеу береді. Электр станцияларынан электр қуатын таратуға арналған электр желілеріндегі кернеу тұтынушыларға берілетін кернеуден бірнеше жүз есе артық болуы мүмкін, әдетте 110-дан 1200 кВ (AC) дейін. Теміржол локомотивтерін қуаттандыру үшін жоғары кернеулі желілерде 12 кВ-тан 50 кВ-қа (AC) немесе 0,75 кВ-тан 3 кВ-қа (DC) дейін кернеу қолданылады.

Гальванилік потенциал және электрохимиялық потенциал

Сыйғызғыш материалдың ішінде электронның энергиясына орташа электр потенциалы ғана емес, сонымен қатар ол орналасқан нақты жылулық және атомдық орта да әсер етеді. Екі түрлі металл арасына вольтметр қосылғанда, ол электростатикалық потенциал айырмашылығын емес, термодинамикаға тәуелді басқа шаманы өлшейді. Вольтметрмен өлшенетін шама – электрондардың электрохимиялық потенциалының (Ферми деңгейі) айырмашылығының электрон зарядына бөлінген теріс шамасы, бұл жиі кернеу айырмашылығы деп аталады. Ал түзетілмеген таза электростатикалық потенциал (вольтметрмен өлшенбейтін) кейде Гальвани потенциалы деп аталады. "Кернеу" және "электрлік потенциал" терминдері мағынасы тұрақсыз, себебі практикада олар әртүрлі жағдайларда осы екі шаманың кез келгенін білдіре алады.

Тарих

Электромотивтік күш термині алғаш рет 1798 жылы Джованни Альдиниге жазған хатында Вольта қолданған, ал 1801 жылы «Анналь де химия и де физика» журналында жарияланған. Бұл терминді 1820 жылдары Майкл Фарадей электромагниттік индукциямен байланысты пайдаланған. Дегенмен, сол кезде кернеудің нақты анықтамасы мен оны өлшеу әдісі әзірленбеген еді. Вольта электромотивтік күшті (ЭМК) кернеуден (потенциалдық айырмашылықтан) ажыратқан: ашық тізбектегі электрхимиялық элементтің қосқыштарында байқалатын потенциалдық айырмашылық, элементтің ЭМК-ін дәл теңгеруі керек, осылайша ток ағысы болмайды.