Перейти до вмісту
Обране

Калькулятор електричного потенціалу точкового заряду

Оновлено:

Обчисліть електричний потенціал V на будь-якій відстані від точкового заряду. Введіть заряд джерела Q, відстань r і відносну діелектричну проникність середовища, щоб отримати результат у вольтах та кіловольтах.

Електричний потенціал точкового заряду

Поля введення
Q
Модуль заряду; знак впливає лише на знак потенціалу
r
Відстань від заряду до точки, у якій вимірюється потенціал
εr
Необов’язково: 1 для вакууму/повітря, ≈2,2 для олії, ≈4,7 для скла, ≈80 для води
Якщо увімкнено, результат оновлюватиметься автоматично після зміни будь-якого значення.

Потенціал точкового заряду

Формула
\[ V = \frac{k \, Q}{\varepsilon_r \, r} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_r} \cdot \frac{Q}{r} \]

Де:

  • \(V\) — електричний потенціал у цій точці, у вольтах (В)
  • \(k = 8.988 \times 10^9\ \text{N·m}^2/\text{C}^2\) — стала Кулона
  • \(Q\) — заряд джерела, у кулонах (Кл)
  • \(\varepsilon_r\) — відносна діелектрична проникність середовища (1 для вакууму або повітря)
  • \(r\) — відстань від заряду до точки вимірювання, у метрах (м)

Формула дає потенціал відносно нескінченності (\(V(\infty) = 0\)): це робота на одиницю заряду, яку потрібно виконати, щоб перенести малий додатний пробний заряд з нескінченно далекої точки на відстань \(r\).

Потенціал точкового заряду — приклад обчислення

Приклад: заряд \(Q = 1\ \mu\text{C}\) перебуває в повітрі, і треба знайти потенціал на відстані \(r = 10\ \text{cm}\).

\[ V = \frac{8.988 \times 10^9 \times 1 \times 10^{-6}}{1 \times 0.1} = \frac{8.988 \times 10^3}{0.1} \]

Результат: \(V \approx 89\,876\ \text{V} \approx 89.9\ \text{kV}\).

Як користуватися калькулятором

  1. Введіть значення заряду джерела (Q) і виберіть одиницю (нКл, мкКл, мКл або Кл). Знак потенціалу збігається зі знаком заряду.
  2. Введіть відстань (r) від заряду до точки вимірювання та виберіть одиницю (мм, см, м, дюйми або фути).
  3. За потреби задайте відносну діелектричну проникність (εr) навколишнього середовища — залиште 1 для вакууму або повітря, або вкажіть ≈2,2 для олії, ≈4,7 для скла, ≈80 для води.
  4. Натисніть «Обчислити». Ви отримаєте потенціал у вольтах (В) та кіловольтах (кВ) разом із покроковим розв’язанням.

Що таке електричний потенціал точкового заряду?

Електричний потенціал \(V\) у точці простору показує, яку електричну потенціальну енергію мав би там заряджений об’єкт у розрахунку на одиницю заряду. Це скалярна величина: на відміну від електричного поля, яке має певний напрямок, потенціал — це просто одне число: додатне поблизу додатних зарядів і від’ємне поблизу від’ємних. Потенціал завжди вимірюють відносно обраного нульового рівня, і для ізольованого точкового заряду за домовленістю приймають \(V = 0\) на нескінченності.

Для точкового заряду потенціал спадає як \(1/r\): подвоєння відстані вдвічі зменшує потенціал. Це повільніше, ніж спад електричного поля, яке зменшується як \(1/r^2\). Оскільки потенціал є скаляром, сумарний потенціал від кількох зарядів у точці — це просто алгебраїчна сума окремих потенціалів, тому працювати з ним значно легше, ніж із векторними полями.

Корисна інтерпретація результату: \(V\) дорівнює роботі на кулон, яку потрібно виконати, щоб перенести малий додатний пробний заряд з нескінченно далекої точки в дану. Якщо калькулятор повертає \(V = 90\ \text{kV}\), то заряд \(+1\ \mu\text{C}\), принесений у цю точку, матиме \(90 \times 10^3 \times 10^{-6} = 0.09\ \text{J}\) електричної потенціальної енергії. Потенціал також визначає електричне поле через \(E = -dV/dr\), тож крутий градієнт потенціалу означає сильне поле.

Припущення, обмеження та практичні поради

  • Припущення про точковий заряд: формула точна для точкового заряду і так само справедлива поза однорідно зарядженою кулею (заряджена провідна куля поводиться так, ніби весь її заряд зосереджений у центрі).
  • Нульовий рівень на нескінченності: результати припускають \(V(\infty) = 0\). У колах або поблизу великих заземлених об’єктів виміряні потенціали можуть відрізнятися, бо використовується інший рівень відліку (наприклад, заземлення).
  • Однорідне середовище: обчислення припускає, що весь простір навколо заряду заповнений одним однорідним лінійним діелектричним середовищем. Якщо заряд перебуває на межі двох середовищ, проста формула вже не застосовується.
  • Відстань має бути додатною: точно в місці розташування точкового заряду потенціал не визначений (він розбігається при \(r \to 0\)), тож відстань має бути більшою за нуль.
  • Знак має значення: введіть від’ємний заряд, щоб отримати від’ємний потенціал; модуль результату при цьому не зміниться.
  • Діелектричні середовища зменшують потенціал у \(\varepsilon_r\) разів — наприклад, вода знижує потенціал приблизно у 80 разів порівняно з повітрям.

Щоб дослідити векторний аналог цієї величини, скористайтеся калькулятором напруженості електричного поля точкового заряду. Якщо вас цікавлять інша фізика обернених квадратів і енергетика, калькулятор гравітаційної сили та калькулятор кінетичної енергії обертання охоплюють споріднені поняття.

Часті запитання

Як обчислити електричний потенціал точкового заряду вручну?

Помножте заряд на сталу Кулона \(k = 8.988 \times 10^9\) і поділіть на відстань. Наприклад, для \(Q = 2\ \mu\text{C}\) при \(r = 0.5\ \text{m}\) у повітрі: \( V = (8.988 \times 10^9 \times 2 \times 10^{-6}) / 0.5 \approx 35\,950\ \text{V}\). Спочатку завжди переводьте заряд у кулони, а відстань — у метри, а якщо середовище не вакуум і не повітря, поділіть результат на відносну діелектричну проникність.

Яке типове або «нормальне» значення електричного потенціалу?

Однакового нормального значення не існує — потенціал повністю залежить від величини заряду і відстані. Побутова статична електрика може сягати тисяч вольтів (заряд 1 мкКл на відстані 10 см дає приблизно 90 кВ), тоді як заряд 1 Кл на відстані 1 м створює близько 9 ГВ. Висока напруга не обов’язково означає небезпеку: важлива й потенціальна енергія \(U = qV\), а малі заряди накопичують дуже мало енергії.

Чи може потенціал бути від’ємним і що означає від’ємний результат?

Так. Знак потенціалу завжди збігається зі знаком заряду джерела: від’ємний заряд створює від’ємний потенціал. Від'ємне значення означає, що додатний пробний заряд мав би в цій точці від’ємну потенціальну енергію — його притягує до неї, а не відштовхує. Цей калькулятор приймає значення заряду за модулем, тож якщо вам потрібен потенціал зі знаком, застосуйте знак заряду до результату вручну.

Чому потенціал спадає як 1/r, а напруженість електричного поля — як 1/r²?

Електричне поле — це від’ємний градієнт потенціалу, \( E = -dV/dr \). Похідна від \( V = kQ/r \) дає \( E = kQ/r^2 \) — закон обернених квадратів. На практиці це означає, що потенціал з відстанню зменшується повільніше: на потрійній відстані потенціал становить третину початкового значення, тоді як поле — лише дев’яту частину.

Як знайти сумарний потенціал від кількох точкових зарядів?

Оскільки потенціал — скаляр, окремі потенціали просто додаються алгебраїчно, без жодних векторних складових. Обчисліть \( V = kQ_i/\varepsilon_r r_i \) для кожного заряду в потрібній точці й складіть результати зі знаками. Наприклад, заряди +2 мкКл і −1 мкКл на однаковій відстані 10 см дають сумарний потенціал \( 179\,752 - 89\,876 \approx 89\,876\ \text{V}\).

Що станеться, якщо ввести відстань нуль або дуже близьку до нуля?

Формула розбігається при \( r \to 0 \): потенціал зростає необмежено, а точно в точці розташування точкового заряду він не визначений. Фізично справжній точковий заряд має нульовий розмір, тож у його місці скінченного потенціалу не існує. Калькулятор вимагає додатної відстані й нуль не прийме. Для реальних заряджених об’єктів скінченного радіуса використовуйте відстань від центра, яка не менша за радіус об’єкта.

Як перевести одиниці заряду або відстані перед обчисленням?

Використовуйте \(1\ \text{nC} = 10^{-9}\ \text{C}\), \(1\ \mu\text{C} = 10^{-6}\ \text{C}\), \(1\ \text{mC} = 10^{-3}\ \text{C}\), а для відстані \(1\ \text{cm} = 0.01\ \text{m}\), \(1\ \text{in} = 0.0254\ \text{m}\), \(1\ \text{ft} = 0.3048\ \text{m}\). Найпоширеніша помилка — забути про перерахунок, через що відповідь відрізняється у 10–1000 разів; швидка перевірка для себе: 1 мкКл на відстані 1 м у повітрі завжди дає приблизно 8988 В.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *