Điện thế

Hiệu điện thế là năng lượng trên một đơn vị điện tích

Hiệu điện thế giữa hai vị trí được định nghĩa ΔV = ΔU/q, do đó ΔU = qΔV. 1 V = 1 J·C⁻¹. Hiệu điện thế thuộc về hai vị trí trong không gian; thế năng U thuộc về hệ có điện tích cụ thể. Phân biệt này đặc biệt quan trọng khi q âm.

Điện thế của điện tích điểm và nhiều điện tích

Nếu chọn V = 0 ở vô cực, điện tích điểm Q tạo V = kQ/r tại khoảng cách r. Dấu của Q được giữ nguyên. Với nhiều điện tích điểm, điện thế tổng là tổng vô hướng V = Σ kQᵢ/rᵢ. Vì điện trường là vectơ, hoàn toàn có thể có V = 0 tại một điểm trong khi E⃗ tại đó khác 0.

Từ điện thế trở lại điện trường

Điện trường hướng theo chiều điện thế giảm nhanh nhất. Trong một chiều, Eₓ = −dV/dx. V biến thiên càng dốc theo vị trí thì trường càng mạnh. Trên một mặt đẳng thế, ΔV = 0 nên công tĩnh điện thuần bằng 0. Vì vậy E⃗ phải vuông góc với mặt đẳng thế.

Chọn mốc không của điện thế

Chỉ chênh lệch điện thế quyết định các biến thiên năng lượng quan sát được, nên mốc V = 0 có thể chọn thuận tiện. Với điện tích cô lập thường chọn vô cực; trong mạch thường chọn một nút nối đất. Cộng cùng một hằng số vào mọi điện thế không làm thay đổi ΔV, E⃗ hay chuyển động vật lý.

Lập luận năng lượng và các lỗi dấu thường gặp

Dùng U = qV để giữ đúng dấu: V do cấu hình điện tích nguồn quyết định, còn U còn phụ thuộc q. Vì thế điện thế thấp không phải lúc nào cũng là thế năng thấp; với điện tích âm thì ngược lại. Công của điện trường là W_field = −ΔU = −qΔV. Điện tích dương có xu hướng đi về V thấp, điện tích âm về V cao.

Ví dụ có lời giải

1. Điện thế của điện tích điểm

Tìm V ở cách điện tích +4,0 nC một khoảng 0,30 m, chọn V = 0 ở vô cực.

2. Biến thiên thế năng

Điện tích +2,0 μC đi qua hiệu điện thế ΔV = −150 V. Tìm ΔU.

3. Từ hiệu điện thế đến điện trường đều

Điện thế giảm đều 600 V trên đoạn 0,20 m. Tìm điện trường.