Medan elektrik boleh memindahkan tenaga apabila cas bergerak. Untuk membandingkan keadaan elektrik tanpa bergantung pada magnitud cas ujian yang digunakan, ahli fizik mentakrifkan keupayaan elektrik sebagai tenaga keupayaan elektrik bagi setiap unit cas. Beza keupayaan antara dua titik pula disebut voltan. Satu volt bersamaan satu joule tenaga bagi setiap coulomb cas. Dalam simbol, keupayaan elektrik V = U/q dan beza keupayaan ΔV = ΔU/q, jadi 1 V = 1 J/C.
Keupayaan tidak sama dengan tenaga keupayaan
Tenaga keupayaan elektrik bergantung pada sistem cas yang dipertimbangkan, termasuk nilai cas yang berada dalam medan. Keupayaan elektrik ialah sifat lokasi dalam medan bagi suatu konfigurasi sumber tertentu. Oleh itu, dua cas berbeza yang diletakkan pada titik yang sama mengalami keupayaan yang sama, tetapi tenaga keupayaannya boleh berbeza kerana nilai casnya berbeza.
Beza keupayaan berkait dengan kerja medan elektrik
Apabila cas positif bebas bergerak dalam medan elektrostatik, medan cenderung melakukan kerja lalu menurunkan tenaga keupayaan elektrik sistem. Bagi cas positif, gerakan spontan lazimnya menuju ke keupayaan yang lebih rendah. Cas negatif mempunyai tanda bertentangan, jadi hubungan antara arah gerakannya dengan keupayaan perlu ditafsir bersama tanda cas, bukannya melalui slogan mudah bahawa semua cas sentiasa bergerak dari voltan tinggi ke voltan rendah. Perubahan tenaga keupayaan cas q yang melalui beza keupayaan ΔV ialah ΔU = qΔV, dan kerja yang dilakukan oleh medan ialah Wmedan = −ΔU = −qΔV. Cas positif yang bergerak ke keupayaan lebih rendah (ΔV < 0) mengalami ΔU < 0, jadi medan melakukan kerja positif; bagi cas negatif, tanda q bertentangan dan keputusannya turut bertentangan.
Medan dan voltan saling berkait
Dalam medan elektrik seragam, perubahan keupayaan sepanjang arah medan berkadar dengan jarak. Medan yang lebih kuat menghasilkan perubahan voltan yang lebih besar bagi jarak yang sama. Dalam geometri yang lebih rumit, hubungan ini perlu dinilai mengikut arah dan bentuk medan, tetapi prinsip asasnya kekal: medan elektrik berkait dengan kadar perubahan keupayaan dari satu tempat ke tempat lain. Dalam medan seragam E, magnitud beza keupayaan sepanjang jarak d searah medan ialah |ΔV| = Ed, jadi E = |ΔV|/d dan medan elektrik boleh dinyatakan dalam V/m.
Sumber voltan memindahkan tenaga dalam litar
Bateri menggunakan tindak balas kimia untuk mengekalkan beza keupayaan antara terminalnya. Apabila litar lengkap disambungkan, medan elektrik dalam konduktor memacu pembawa cas dan tenaga dipindahkan kepada komponen seperti perintang, lampu atau motor. Voltan tidak habis digunakan seperti bahan api; yang berubah ialah tenaga yang dipindahkan bagi setiap unit cas ketika cas melalui komponen.
Nilai keupayaan memerlukan titik rujukan
Keupayaan mutlak ditentukan relatif kepada rujukan yang dipilih. Dalam banyak masalah elektrostatik, keupayaan di tempat yang sangat jauh daripada sumber cas diambil sebagai sifar. Dalam litar, satu nod sering dipilih sebagai rujukan sifar. Ramalan fizik bergantung pada beza keupayaan, jadi memilih rujukan lain tidak mengubah keputusan yang boleh diukur jika pengiraan dibuat secara konsisten.
Contoh: bateri 1.5 V yang menggerakkan cas 1.0 C melalui beza keupayaan 1.5 V menyebabkan perubahan tenaga keupayaan bermagnitud |ΔU| = qΔV = 1.0 × 1.5 = 1.5 J. Bagi elektron (q = −1.6 × 10⁻¹⁹ C) yang bergerak ke titik berkeupayaan 1 V lebih tinggi, ΔU = (−1.6 × 10⁻¹⁹)(+1) = −1.6 × 10⁻¹⁹ J, jadi tenaga keupayaan menurun dan medan melakukan kerja positif; jika elektron bermula pegun dan tiada kehilangan lain, ia memperoleh tenaga kinetik 1.6 × 10⁻¹⁹ J, iaitu 1 elektronvolt (1 eV). Magnitud tenaga ialah 1 eV, tetapi tandanya bergantung pada arah gerakan relatif kepada medan. Bagi dua plat selari berjarak 1.0 cm dengan beza keupayaan 100 V, medan seragam ialah E = 100/0.010 = 1.0 × 10⁴ V/m.
Sejarah ringkas
Alessandro Volta mencipta tindanan voltaik, bateri elektrik pertama yang berterusan, pada 1800. Unit volt dinamakan sempena beliau.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Apakah maksud satu volt?