Sähköinen potentiaali
Sähköinen potentiaali on potentiaalienergiaa varausta kohti. Potentiaaliero eli jännite kertoo, kuinka paljon energiaa yhtä coulombia kohti voi siirtyä kahden pisteen välillä. Koska potentiaali on skalaari, se helpottaa monen varauksen ongelmia.
Potentiaali ja jännite
V=U/q ja yksi voltti on yksi joule coulombia kohti. Jännite on kahden pisteen potentiaalien ero, ei varauksen määrä. Positiivisen varauksen potentiaalienergia pienenee, kun se liikkuu sähkökentän suuntaan.
Pistevaraus
Kun nollataso valitaan äärettömyydestä, pistevaraukselle V=kQ/r. Potentiaali pienenee 1/r eikä 1/r². Useiden pistevarausten potentiaalit voidaan summata algebrallisesti, koska V on skalaari.
Yhteys kenttään
Sähkökenttä osoittaa potentiaalin nopeimman vähenemisen suuntaan: E=−∇V. Yhdessä ulottuvuudessa E_x=−dV/dx. Jyrkkä potentiaalin muutos lyhyellä matkalla vastaa voimakasta kenttää.
Ekvipotentiaalipinnat
Ekvipotentiaalipintaa pitkin liikkuminen ei muuta varauksen sähköistä potentiaalienergiaa. Sähkökenttä on kohtisuorassa tällaisia pintoja vastaan. Elektrostaattisessa tasapainossa johtimen pinta on ekvipotentiaalinen.
Nollatason valinta
Potentiaalin absoluuttinen nolla voidaan usein valita laskun kannalta sopivasti. Saman vakion lisääminen kaikkiin potentiaaleihin ei muuta kenttää tai jännite-eroja. Fysikaalisesti tärkeät suureet ovat usein juuri erot.
Elektronin merkki
Energiansiirto on ΔU=qΔV. Elektronilla q=−e, joten sen potentiaalienergia muuttuu vastakkaiseen suuntaan kuin positiivisen koetinkappaleen samalla potentiaalimuutoksella. Tämä on tärkeää elektronioptiikassa ja puolijohteissa.
Virtapiirit
Paristo tai generaattori ylläpitää potentiaalieron muuntamalla kemiallista tai mekaanista energiaa. Vastuksessa potentiaali yleensä laskee tavanomaisen virran suuntaan, kun sähköenergia muuttuu sisäenergiaksi ja lämmöksi.
Potentiaalimaisema
Potentiaalia voidaan lukea energiamaisemana, mutta varauksen merkki on ratkaiseva, koska U=qV. Positiivinen varaus suosii pienempää V:tä, elektronin potentiaalienergia käyttäytyy vastakkaisella merkillä. Potentiaalikuopat ja -esteet ohjaavat varauksenkuljettajia elektronisissa komponenteissa ja toimivat lähtökohtana myös kvanttitunneloinnille.
Dipolin potentiaali
Sähködipolin kokonaisvaraus on nolla, mutta potentiaali ei silti ole kaikkialla nolla. Kaukaa katsottuna dipolipotentiaali pienenee etäisyyden mukana nopeammin kuin pistevarauksen potentiaali ja vaihtaa merkkiä suunnan mukaan. Malli on tärkeä polaarisille molekyyleille ja havainnollistaa, miksi sähköinen neutraalius ei tarkoita rakenteettomuutta.
Harjoitus
Varaus +3 C siirtyy potentiaalierossa +2 V. Mikä on potentiaalienergian muutos?
Ratkaisu
ΔU=qΔV=3×2=6 J. Positiivinen tulos tarkoittaa, että sähköinen potentiaalienergia kasvoi.