Διαφορά δυναμικού

Η διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων μέσα σε ένα πεδίο τριών διαστάσεων (ηλεκτρικό ή βαρυτικό) ορίζεται ως το πηλίκο της ενέργειας που απαιτείται για τη μετακίνηση μεταξύ των δύο σημείων στο πεδίο, της μοναδιαίας ποσότητας που μπορεί να δεχτεί επίδραση εντός του πεδίου από αυτό, προς τη μονάδα αυτή, ηλεκτρικό φορτίο ή μάζα αντίστοιχα.

 Το Ηλεκτρικό δυναμικό σημείου Γ εντός ηλεκτρικού πεδίου είναι το πηλίκο του έργου, που παράγεται κατά τη μετακίνηση μοναδιαίου ηλεκτρικού φορτίου από το σημείο αυτό ως το άπειρο (εκτός πεδίου), προς τη μονάδα ηλεκτρικού φορτίου. Στη γλώσσα των μαθηματικών γράφουμε ότι: V Γ = W Γ → ∞ q = U Γ q {\displaystyle V_{\Gamma }\ =\ {\frac {W_{\Gamma \rightarrow \infty }}{q}}\ =\ {\frac {U_{\Gamma }}{q}}} Μονάδα μέτρησης είναι το Βολτ (Volt) και στο Διεθνές σύστημα μονάδων (SI) απεικονίζεται με το γράμμα V'. Το ηλεκτρικό δυναμικό συμβολίζεται όμοια με τη μονάδα μέτρησής του, δηλαδή με το γράμμα 'V'. Η Διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο σημείων, είναι η διαφορά των δυναμικών τους. Μετριέται όπως και το ηλεκτρικό δυναμικό σε Βολτ. Η διαφορά δυναμικού συμβολίζεται με ΔV ή με σκέτο V καθώς η έννοια του ηλεκτρικού δυναμικού δεν είναι πρακτικά χρήσιμη και συνήθως δεν μπορεί να μετρηθεί. Έτσι έχουμε: V α β = V α − V β {\displaystyle V_{\alpha \beta }=V_{\alpha }-V_{\beta }} όπου Vab η διαφορά δυναμικού από το α στο β, με Vα το ηλεκτρικό δυναμικό στο α και Vβ το ηλεκτρικό δυναμικό στο β. Η Ηλεκτρική τάση, ή απλώς τάση, είναι η τιμή της διαφοράς του ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο σημείων. Μπορεί να είναι θετική, αρνητική ή μηδέν και έχει διαστάσεις ενέργειας προς ηλεκτρικό φορτίο. Για το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI): V = W A = J A ⋅ s = N ⋅ m A ⋅ s = kg ⋅ m 2 A ⋅ s 3 = kg ⋅ m 2 C ⋅ s 2 = N ⋅ m C = J C {\displaystyle {\mbox{V}}={\dfrac {\mbox{W}}{\mbox{A}}}={\dfrac {\mbox{J}}{{\mbox{A}}\cdot {\mbox{s}}}}={\dfrac {{\mbox{N}}\cdot {\mbox{m}}}{{\mbox{A}}\cdot {\mbox{s}}}}={\dfrac {{\mbox{kg}}\cdot {\mbox{m}}^{2}}{{\mbox{A}}\cdot {\mbox{s}}^{3}}}={\dfrac {{\mbox{kg}}\cdot {\mbox{m}}^{2}}{{\mbox{C}}\cdot {\mbox{s}}^{2}}}={\dfrac {{\mbox{N}}\cdot {\mbox{m}}}{\mbox{C}}}={\dfrac {\mbox{J}}{\mbox{C}}}} Η διαφορά του ηλεκτρικού δυναμικού είναι η αιτία της εξαναγκασμένης κατευθυνόμενης κίνησης (ροής) των ηλεκτρικών φορτίων μέσα σε αγωγούς, ημιαγωγούς και ρευστά με ελεύθερα κινούμενα ιόντα (π.χ. ηλεκτρολυτικό διάλυμα, φωτεινές επιγραφές νέον), είναι δηλαδή η αιτία του ηλεκτρικού ρεύματος. Η πιο κοινή πηγή διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού είναι η μπαταρία. Όταν συνδέουμε τους δυο πόλους της μπαταρίας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα θα παρατηρήσουμε την έλευση ηλεκτρικού ρεύματος σε αυτό. Η τάση που παρέχει η μπαταρία, η οποία ωθεί την κίνηση των φορτίων, δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα, ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη. Ηλεκτρεγερτική δύναμη μπορεί να παρέχει και μια ηλεκτρογεννήτρια, μια φωτοβολταϊκή συστοιχία ή θερμοηλεκτρικές συστοιχίες. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις η τάση «εγείρεται» με διαφορετικό φυσικό μηχανισμό. Στη μπαταρία, η διαφορά δυναμικού δημιουργείται από χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στην μπαταρία μεταξύ των συστατικών της. Κατά τη διάρκεια της ζωής μιας μπαταρίας, οι ποσότητες των στοιχείων που αντιδρούν για να δώσουν τη διαφορά δυναμικού ελαττώνονται και έτσι η παραγόμενη διαφορά δυναμικού εξασθενεί. Η εφαρμογή ενός σύρματος στους πόλους μιας μπαταρίας διαφοροποιεί έντονα το ηλεκτρικό πεδίο στο χώρο μεταξύ των πόλων. Το σύνολο σχεδόν του δυναμικού του πεδίου καναλίζεται μέσα στο σύρμα και το φαινόμενο παρατηρείται πλέον σχεδόν μονοδιάστατα. Η μέτρηση της τάσης γίνεται με ειδικό όργανο που εκ της μονάδας μέτρησης ονομάζεται Βολτόμετρο. Το βολτόμετρο συνδέεται πάντοτε παράλληλα (σε διακλάδωση) σε ένα κύκλωμα και έχει μεγάλη αντίσταση ώστε να μην επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος. Στο βαρυτικό πεδίο η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο σημείων του βαρυτικού πεδίου μετράται σε ( J k g ) {\displaystyle {\rm {\left({\frac {J}{kg}}\right)}}} . Η βαρύτητα γύρω από μια μάζα έχει την ιδιότητα να καμπυλώνει το χώρο και το χρόνο, όπως περιγράφεται από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας, δεν έχει όμως επιτευχθεί ο καναλισμός του αντιδραστηρίου του πεδίου βαρύτητας, της μάζας, μέσω κάποιου αγωγού (σκουληκότρυπα) στο χώρο και το χρόνο, όπως μπορεί να γίνει στα ηλεκτρικά φορτία ενός σύρματος με την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης στα άκρα του.