Как определить разность потенциалов: Разность потенциалов. Видеоурок. Физика 10 Класс

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.Эквипотенциальные поверхности

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду: Потенциал электростатического поля

 - энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.

Потенциал электростатического поля

Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной.

За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора.

 

следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически)

- следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически).

следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически)

Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность.

В СИ потенциал измеряется в вольтах: В СИ потенциал измеряется в вольтах

 

Разность потенциалов

Разность потенциалов

Разность потенциалов

 

Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории.

Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля.         

Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора

системы координат!

Напряжение

Единица разности потенциалов

Единица разности потенциалов  

Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж.

Единица разности потенциалов

Связь между напряженностью и напряжением.

 

Из доказанного выше:  Связь между напряженностью и напряжением →    Связь между напряженностью и напряжением 

напряженность равна градиенту потенциала (скорости изменения потенциала вдоль направления d).

Связь между напряженностью и напряжением

Из этого соотношения видно:

  1. Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала.
  2. Электрическое поле существует, если существует разность потенциалов.
  3. Единица напряженности: Единица напряженности    -   Напряженность поля равна 1 В/м, если между двумя точками поля, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга существует разность потенциалов 1 В.

Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала

Единица напряженности

Эквипотенциальные поверхности.

ЭПП - поверхности равного потенциала.

Свойства ЭПП:

- работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается;

- вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке.

Эквипотенциальные поверхностиЭПП - поверхности равного потенциала

 

ЭПП - поверхности равного потенциала

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Между стержнем и корпусом — электрическое поле. Измерение потенциала кондуктора Измерение напряжения на гальваническом элементе Электрометр дает большую точность, чем вольтметр.

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов.

 

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов

Потенциал поля точечного заряда

 

Потенциал поля точечного заряда

 

Потенциал заряженного шара

а) Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы (!!!) и равны потенциалу на поверхности шара.

б) Снаружи поле шара убывает обратно пропорционально расстоянию от центра шара, как и в случае точечного заряда.

Потенциал заряженного шара

Перераспределение зарядов при контакте заряженных проводников.

Переход зарядов происходит до тех пор, пока потенциалы контактирующих тел не станут равными.

 

Теория по физике для ЕГЭ, пособия по подготовке и справочные материалы в Москве

Работа сил электростатического поля. Потенциал и разность потенциалов. Связь разности потенциалов с напряженностью электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда. Эквипотенциальные поверхности.

  • Работа сил электростатического поля

    При перемещении пробного заряда \(q\) в электрическом поле электрические силы совершают работу. Эта работа при малом перемещении \(\Delta \vec{l}\) равна:

    \[\Delta A=F\Delta l\cos\alpha=Eq\Delta l\cos\alpha=E_1 q\Delta l\]

    Рассмотрим работу сил в электрическом поле, создаваемом неизменным во времени распределенным зарядом, т.е. электростатическом поле.

    Электростатическое поле обладает важным свойством:

    Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

    Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение:

    Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

    Силовые поля, обладающие этим свойством, называют или консервативными.

  • На замкнутой траектории работа кулоновских сил равна нулю.

    Потенциальная энергия заряда \(q\), помещенного в любую точку (1) пространства, относительно фиксированной точки (0) равна работе \(A_{10}\), которую совершит электростатическое поле при перемещении заряда \(q\) из точки (1) в точку (0):

    \[W_{p1} = A_{10}\]

    Так же, как и в механике, потенциальная энергия определена с точностью до постоянной величины, зависящей от выбора опорной точки (0). Такая неоднозначность в определении потенциальной энергии не приводит к каким-либо недоразумениям, так как физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений в двух точках пространства.

  • Работа, совершаемая электростатическое полем при перемещении точечного заряда \(q\) из точки (1) в точку (2), равна разности значений потенциальной энергии в этих точках и не зависит от пути перемещения заряда и от выбора точки (0).

    \[A_{12} = A_{10} + A_{02} = A_{10} - A_{20} = W_{p_1} - W_{p_2}\]

  • Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют \(\varphi\) электрического поля:

    \[\varphi=\dfrac{W_p}{q}\]

    Потенциал \(\varphi\) является энергетической характеристикой электростатического поля.

    Работа \(A_{12}\) по перемещению электрического заряда \(q\) из начальной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (\(\varphi_1-\varphi_2\)) начальной и конечной точек:

    \(A_{12} = W_{p1} - W_{p2} = q\varphi_1 - q\varphi_2 = q(\varphi_1-\varphi_2)\)

    Единицы измерения: \(\displaystyle [\text{В}]\) (Вольт).

  • Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку (0) удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом:

    Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

    \[\varphi_{\infty}=\dfrac{A_{\infty}}{q}\]

  • Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется или поверхностью равного потенциала.

  • Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов:

    \[\varphi =\varphi_1 + \varphi_2+ \varphi_3 + ...+\varphi_n\]

  • Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

    Формулы, используемые на уроках «Решение задач на тему: Работа перемещения заряда в электрическом поле. Потенциал. Разность потенциалов» для подготовки к ЕГЭ.

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями


    ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ


    Задача № 1.  Металлический шар диаметром d заряжен с поверхностной плотностью зарядов σ. Найти потенциал φ этого шара, если он окружен заземленной проводящей сферой, имеющей общий с шаром центр. Диаметр сферы D. Среда — воздух.

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями


    Задача № 2.  Потенциал заряженного шара φ1 = 300 В. Чему равен потенциал φ2 электрического поля этого шара в точке, отстоящей на расстоянии l = 50 см от его поверхности, если радиус шара R = 25 см?

    Смотреть решение и ответ

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

     


    Задача № 3.  Определить потенциал φ точки поля, находящейся на расстоянии а =  9 см от поверхности заряженного шара радиусом R = 1 см, если поверхностная плотность зарядов на шаре σ = 1 • 10–11 Кл/см2. Среда — воздух.

    Смотреть решение и ответ

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

     


    Задача № 4.  В точке 1 поля точечного заряда-источника потенциал φ1 = 40 В, а в точке 2 φ2 = 10 В. Найти потенциал φ в точке М, лежащей посередине между точками 1 и 2 (рис. 3-6). Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

    Смотреть решение и ответ

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

     


    Задача № 5.  В трех вершинах квадрата со стороной а = 20 см находятся заряды q1 = 1 • 10–8 Кл, q2 = 2 • 10–8 Кл и q3 = 2 • 10–8 Кл (рис. 3-7). Определить потенциал φ электрического поля, созданного этими зарядами в четвертой вершине. Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

    Смотреть решение и ответ

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

     


    Задача № 6.  Четыре одинаковых точечных заряда q расположены на одной прямой на расстоянии r друг от друга. Какую работу А надо совершить, чтобы переместить эти заряды в вершины тетраэдра со стороной r? Среда — вакуум.

    Смотреть решение и ответ

     


    Задача № 7. Два одинаково заряженных шарика диаметрами d = 0,5 см каждый расположены на расстоянии l = 2 см между их поверхностями (рис. 3-14). До какого потенциала φ они заряжены, если сила их отталкивания друг от друга F = 2 мкН? Среда — воздух. Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

    Смотреть решение и ответ

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

     


    Задача № 8.  В однородном электрическом поле напряженностью Е = 2 кВ/см переместили заряд q = –20 нКл в направлении силовой линии поля на расстояние d = 10 см. Найти работу поля А, изменение потенциальной энергии поля ΔWп и напряжение (разность потенциалов) U между начальной и конечной точками перемещения.

    Смотреть решение и ответ

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

     


    Задача № 9.  Между двумя горизонтальными плоскостями, заряженными разноименно и расположенными на расстоянии d = 5 мм друг от друга, находится в равновесии капелька масла массой 20 нг (нанограмм) (рис. 3-10). Найти число избыточных электронов N на этой капельке. Среда — воздух. Разность потенциалов между плоскостями U = 2 кВ. Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

    Смотреть решение и ответ

    Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

     


    Задача № 10.  На пластине М поддерживается потенциал φ1 = +80 В, а на пластине N – φ2 = –80 В (рис. 3-11, а). Расстояние между пластинами d = 10 см. На расстоянии d1 = 4 см от пластины М помещают заземленную пластину Р (рис. 3-11, б). Найти изменение напряженности ΔЕ1 поля на участке МР и изменение напряженности поля ΔЕ2 на участке PN при этом. Построить графики зависимостей напряженностей Е = Е(х) и потенциала φ = φ(х) от расстояния между точками поля и пластинами. Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями

    Смотреть решение и ответ

     


    Это конспект по теме «Потенциал. Разность потенциалов. ЗАДАЧИ с решениями». Выберите дальнейшие действия:

     

    разность потенциалов в электротехнике и физике

    В физике часто используется понятие потенциалов. Каждый, кто работает с электроникой или домашними электрическими сетями, должен представлять себе, потенциал что такое, как проводится его измерение, и какое влияние он оказывает на окружающие тела.

    Разность потенциалов

    Разность потенциалов

    Понятие потенциала в физике

    Что такое потенциал в физике? Это понятие очень часто применяется для описания качеств сил и полей самой разной природы. Скалярная функция, характеризующая некоторую величину, представляющуюся вектором, – вот что это потенциал. Гравитационный потенциал описывает соответствующее поле. В термодинамике это понятие применяется для системной внутренней энергии, в механике – для той или иной приложенной к предмету силы.

    Электрика, прежде всего, интересует, что такое потенциал в электричестве. Из общего определения нетрудно вывести, что характеристика электрополя – это электрический потенциал. В своей статической форме электрический потенциал показывает потенциальную энергию одиночного «плюсового» заряда, помещаемого в данное место электрополя, и является одной из разновидностей электромагнитного потенциала. Вторая его форма – векторная (в отличие от скалярной), описывает магнитное поле.

    Важно! Характеристика поля, описывающая зависимость работы при передвижении исключительно от исходной точки и места назначения, – это потенциальность поля. Траектория перемещения в этом случае на работу не влияет.

    Разность потенциалов (напряжение)

    Напряжение является одним из важнейших терминов в электрике, оно описывается как работа, совершаемая электрополем с целью перемещения некоторого заряда из одной точки в другую. По аналогии с гравитацией, заряд при помещении в зону действия поля обладает потенциалом, который можно сравнить с соответствующим видом энергии у тела. Величина электрического потенциала прямо пропорциональна степени полевой напряженности и величине самого заряда.

    Встает вопрос: потенциал в чем измеряется? Правильнее будет сказать, в чем обычно измеряется разность потенциалов, так как работники электротехники имеют дело именно с этой величиной в форме напряжения. Для самого потенциала специальной измерительной единицы не существует. В СИ принято измерять разность в вольтах (В). Она равна одному вольту в том случае, если для транспортировки заряда в один кулон из одной точки электрополя в другую потребуется совершить работу в один джоуль.

    Важно! Измерить напряжение можно с помощью специального устройства – вольтметра. Стрелочная разновидность прибора, использующаяся на школьных уроках физики, оснащена градуированной шкалой, базирующейся на угле отклонения проволочной рамки, по которой проходит электроток. Помимо него, существуют и приборы с цифровым дисплеем, а также мультиметры, способные работать в нескольких режимах и измеряющие разные величины, описывающие электроцепь. Для измерения важно правильно подключить щупы.

    Измерить напряжение поможет вольтметр

    Измерить напряжение поможет вольтметр

    Примеры формул для вычисления напряжения

    Измерить напряжение можно, воспользовавшись такой формулой:

    U=A/q (U, A и q – величина напряжения, переносящая работа электрополя и заряд, соответственно).

    Выразив работу (A=q*U), можно понять, что, чем больше напряженность, тем большую работу потребуется совершить электрополю, чтобы перенести Q. Такие преобразования помогают усвоить, почему важно, чтобы источник питания был мощным. Чем больше потенциальная разница между его клеммами, тем больший объем работы он способен обеспечивать.

    Чтобы определить напряжение на участке электрической цепи, используется следующее выражение:

    U=I*R.

    Здесь I – сила протекающего по проводнику электротока, R – сопротивление фрагмента цепи. Для последовательно и параллельно соединенных проводниковых элементов также существуют свои законы, согласно которым рассчитываются напряжение, токовая сила и сопротивление для каждой из веток.

    Для чего нужен потенциометр электрику

    Данный прибор широко применяется в практике для модуляции напряжения. Дело в том, что у многих источников (особенно заточенных под автономное функционирование: аккумуляторные элементы, солнечные батареи и т.д.) константное напряжение, не поддающееся управлению без специальных устройств, что может вызвать проблемы. Чтобы уменьшить исходное напряжение такого элемента, используют устройства-делители, снабженные потенциометрами.

    Потенциометр-реостат

    Потенциометр-реостат

    Как работает потенциометр? Он представляет собой резистор, имеющий пару выводов и подвижный ползунок с еще одним выводом. Подключаться такое переменное устройство сопротивления может двумя способами:

    1. По типу реостата, с использованием ползункового вывода и одного из пары других. Сопротивление замеряется движением ползунка по корпусу резистора. Регуляция цепного электротока в таком случае возможна при последовательном подключении такого реостата и источника напряжения.
    2. Потенциометрическим методом, задействующим каждый вывод из имеющейся у прибора тройки. Два главных вывода включаются параллельно источнику, снятие сниженного напряжения реализуется с ползункового механизма и одного вывода. В этом случае через резисторное устройство течет электроток, создающий спад напряжения между ползунком и боковыми выводами. В такой модели на источник питания ложится большая нагрузка, так как для точности регуляции и отсутствия сбоев необходимо, чтобы резисторное сопротивление в несколько раз уступало нагрузочному.
    Потенциометрическое подключение прибора

    Потенциометрическое подключение прибора

    Таким образом, понятие потенциала используется в разных областях физики: как в механике, так и в изучении электричества. В последнем случае оно выступает в качестве характеристики поля. Непосредственно рассматриваемая величина измерению не поддается, зато можно измерить разность, тогда один заряд берется за точку отсчета.

    Видео

    «Разность потенциалов в чем измеряется?» – Яндекс.Кью

    Перечитал кучу ерунды от предыдущих авторов. Прежде чем отвечать на такие вопросы, нужно хорошо разобраться в СТО (специальная теория относительности) и, во всяком случае, не путать её с ОТО (общая теория относительности). Оба названия неудачные. Принцип относительности есть не только в СТО, но и в классической механике, созданой Ньютоном, причём, этот принцип был сформулирован Галилеем ещё до Ньютона. СТО фактически является новой механикой, согласующейся с электродинамикой Максвелла. Что касается ОТО, то это теория гравитации, уточняющая ньютоновский же закон всемирного тяготения и согласованная с СТО в том смысле, что при отсутствии гравитационного поля ОТО отличается от СТО только математическим аппаратом, который в ОТО гораздо более сложный.

    Обычно СТО основывают на двух постулатах. Первый — это принцип относительности, а второй утверждает существование инвариантной скорости (со времён Эйнштейна эта скорость называется "скорость света") и сформулирован самим Эйнштейном так: свет распространяется в "неподвижной" системе координат с определённой скоростью V, не зависящей от движения источника (сейчас скорость света в вакууме обозначается не "V", а "c"). Под "неподвижной" системой координат Эйнштейн подразумевает то, что позже стало называться инерциальной системой отсчёта (ИСО). Кстати, в классической механике инвариантная скорость тоже есть, но она бесконечная.

    Как видим, нет ни одного слова про максимальность скорости света.

    Из СТО, однако, вытекают следующие ограничения:

    1) если частица в какой-то момент движется со скоростью, меньшей скорости света, то она всегда в прошлом, пока существовала, двигалась со скоростью, меньшей скорости света, и всегда в будущем, пока будет существовать, будет двигаться со скоростью, меньшей скорости света;

    2) если частица в какой-то момент движется со скоростью света, то она всегда в прошлом, пока существовала, двигалась со скоростью света, и всегда в будущем, пока будет существовать, будет двигаться со скоростью света;

    3) если частица в какой-то момент движется со скоростью, большей скорости света, то она всегда в прошлом, пока существовала, двигалась со скоростью, большей скорости света, и всегда в будущем, пока будет существовать, будет двигаться со скоростью, большей скорости света.

    Таким образом, мы не можем ничего разогнать до сверхсветовой скорости, но, в принципе, сверхсветов

    Потенциал, работа электростатического поля. Потенциальная энергия, разность потенциалов, принцип суперпозиции. Тесты, формулы

    Тестирование онлайн

    Работа электростатического поля

    Рассмотрим ситуацию: заряд q0 попадает в электростатическое поле. Это электростатическое поле тоже создается каким-то заряженным телом или системой тел, но нас это не интересует. На заряд q0 со стороны поля действует сила, которая может совершать работу и перемещать этот заряд в поле.


    Работа электростатического поля не зависит от траектории. Работа поля при перемещении заряда по замкнутой траектории равна нулю. По этой причине силы электростатического поля называются консервативными, а само поле называется потенциальным.

    Потенциал

    Система "заряд - электростатическое поле" или "заряд - заряд" обладает потенциальной энергией, подобно тому, как система "гравитационное поле - тело" обладает потенциальной энергией.

    Физическая скалярная величина, характеризующая энергетическое состояние поля называется потенциалом данной точки поля. В поле помещается заряд q, он обладает потенциальной энергией W. Потенциал - это характеристика электростатического поля.

    Вспомним потенциальную энергию в механике. Потенциальная энергия равна нулю, когда тело находится на земле. А когда тело поднимают на некоторую высоту, то говорят, что тело обладает потенциальной энергией.

    Касательно потенциальной энергии в электричестве, то здесь нет нулевого уровня потенциальной энергии. Его выбирают произвольно. Поэтому потенциал является относительной физической величиной.

    В механике тела стремятся занять положение с наименьшей потенциальной энергией. В электричестве же под действием сил поля положительно заряженное тело стремится переместится из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом, а отрицательно заряженное тело - наоборот.

    Потенциальная энергия поля - это работа, которую выполняет электростатическая сила при перемещении заряда из данной точки поля в точку с нулевым потенциалом.

    Рассмотрим частный случай, когда электростатическое поле создается электрическим зарядом Q. Для исследования потенциала такого поля нет необходимости в него вносить заряд q. Можно высчитать потенциал любой точки такого поля, находящейся на расстоянии r от заряда Q.

    Диэлектрическая проницаемость среды имеет известное значение (табличное), характеризует среду, в которой существует поле. Для воздуха она равна единице.

    Разность потенциалов

    Работа поля по перемещению заряда из одной точки в другую, называется разностью потенциалов

    Эту формулу можно представить в ином виде

    Эквипотенциальная поверхность (линия) - поверхность равного потенциала. Работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

    Напряжение

    Разность потенциалов называют еще электрическим напряжением при условии, что сторонние силы не действуют или их действием можно пренебречь.

    Напряжение между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности, равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние между этими точками.

    От величины напряжения зависит ток в цепи и энергия заряженной частицы.

    Принцип суперпозиции

    Потенциал поля, созданного несколькими зарядами, равен алгебраической (с учетом знака потенциала) сумме потенциалов полей каждого поля в отдельности

    При решении задач возникает много путаницы при определении знака потенциала, разности потенциалов, работы.

    На рисунке изображены линии напряженности. В какой точке поля потенциал больше?

    Верный ответ - точка 1. Вспомним, что линии напряженности начинаются на положительном заряде, а значит положительный заряд находится слева, следовательно максимальным потенциалом обладает крайняя левая точка.

    Если происходит исследование поля, которое создается отрицательным зарядом, то потенциал поля вблизи заряда имеет отрицательное значение, в этом легко убедиться, если в формулу подставить заряд со знаком "минус". Чем дальше от отрицательного заряда, тем потенциал поля больше.

    Если происходит перемещение положительного заряда вдоль линий напряженности, то разность потенциалов и работа являются положительными. Если вдоль линий напряженности происходит перемещение отрицательного заряда, то разность потенциалов имеет знак "+", работа имеет знак "-".

    Порассуждайте самостоятельно отрицательные или положительные значения будут принимать работа и разность потенциалов, если заряд перемещать в обратном направлении относительно линий напряженности.

    Напряжение в клетках сетчатки глаза при попадания в них света около 0,01 В.
    Напряжение в телефонных сетях может достигать 60 В.
    Электрический угорь способен создавать напряжение до 650 В.

    Из определения потенциала следует, что потенциальная энергия электростатического взаимодействия двух зарядов q1 и q2, находящихся на расстоянии r друг от друга, численно равна работе, которая совершается при перемещении точечного заряда q2 из бесконечности в данную точку поля, созданного зарядом q1

    Аналогично Тогда энергия взаимодействия двух точечных зарядов

    Энергия взаимодействия n зарядов

    Что такое потенциал, какой его смысл? И что такое разность потенциалов?

    Если вы ведете речь о потенциале, как о разновидности электрической величины и как о характеристике, определяющей функцию напряжения, то это мера количества энергии. Все предметы вокруг нас состоят из атомов, молекул, электронов и других частиц, которые постоянно взаимодействуют между собой посредством электромагнитных сил. Потенциал представляет собой количественное выражение той самой энергии, которая возникает при взаимодействии мельчайших частиц. Но, в отсутствии пути передачи этой энергии она будет находиться в одной точке или на одном объекте.

    Если рассмотреть суть электрического потенциала не с электрической стороны, а на более понятном примере, можете представить себе рогатку, в которую вы заряжаете шарик. Если оттянуть резинку на полметра и зафиксировать шар в этом положении, то он получит количество энергии, которая при освобождении запустит шар на 10 метров. Если тот же шар в резинке отвести на метр и зафиксировать в таком положении, то он будет обладать потенциалом энергии, которая сможет запустить его на 20 метров. Так вот потенциал представляет собой невидимую энергию, которая до возникновения определенных условий не может реализоваться или расходоваться.

    Под разностью потенциалов понимается ситуация, когда в двух точках присутствует разное количество энергии. Классическим вариантом разности потенциалов является пальчиковая батарейка, на концах которой присутствует разность потенциалов в 1,5В – это означает, что потенциал плюсового полюса больше потенциала минусового полюса на 1,5В. Если рассмотреть напряжение в розетке, то разность потенциалов в ней составит 220В, но в отличии от батарейки, величина потенциала в каждой точке постоянно меняется, однако их разность остается постоянной – 220В.

    Стандартный потенциал восстановления - Chemistry LibreTexts

    Введение

    Стандартный восстановительный потенциал относится к категории, известной как стандартные потенциалы ячейки или стандартные электродные потенциалы. Стандартный потенциал ячейки - это разность потенциалов между катодом и анодом. Для получения дополнительной информации просмотрите Cell Potentials. Все стандартные потенциалы измерены при 298 К, ​​1 атм и 1 М растворах.

    Стандартные понижающие потенциалы

    Как указано выше, стандартный потенциал сокращения - это вероятность того, что вид будет сокращен.o (СОП) \]

    Как экспериментально определяются стандартные восстановительные потенциалы

    Стандартный восстановительный или окислительный потенциалы можно определить с помощью SHE (стандартный водородный электрод).

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Стандартный водородный электрод

    Считается, что водород имеет нулевой потенциал восстановления и окисления. Следовательно, когда измеряется стандартный восстановительный и окислительный потенциал химических соединений, это фактически разница в потенциале от водорода.Используя гальванический элемент, в котором одна сторона представляет собой SHE, а другая сторона представляет собой половину элемента из неизвестного химического вещества, разность потенциалов от водорода может быть определена с помощью вольтметра. Таким образом можно определить как стандартные восстановительные, так и окислительные потенциалы. Когда определяется стандартный восстановительный потенциал, неизвестные химические соединения восстанавливаются, в то время как водород окисляется, а когда стандартный окислительный потенциал определяется, неизвестные химические соединения окисляются, пока восстанавливается водород.На следующих диаграммах показано, как определяется стандартный потенциал восстановления.

    • Рисунок (2) - Определение стандартного восстановительного потенциала меди
    • Cu 2 + (водн.) + 2e - → Cu (s) E = +0,34

    Как применяются стандартные понижающие потенциалы

    Стандартные восстановительные потенциалы используются для определения стандартного потенциала ячейки. Стандартный потенциал восстановительной ячейки и стандартный потенциал окислительной ячейки можно комбинировать для определения общих потенциалов ячейки гальванической ячейки.o_ {уменьшение} \ text {реакции на аноде} \]

    Серия действий

    При решении стандартного клеточного потенциала необходимо идентифицировать окисленные и восстановленные виды. Это можно сделать с помощью серии занятий. Приведенная ниже таблица представляет собой просто таблицу стандартных потенциалов восстановления в порядке убывания. Виды наверху имеют большую вероятность восстановления, в то время как те, что внизу, имеют большую вероятность окисления. Следовательно, когда разновидность наверху соединяется с разновидностью внизу, та, которая находится наверху, становится восстановленной, а та, что внизу, окисляется.Ниже представлена ​​таблица стандартных восстановительных потенциалов.

    Половина реакции восстановления Стандартный понижающий потенциал (В)
    F 2 (г) + 2e - → 2F - (водн.) +2,87
    S 2 O 8 2 - (водн.) + 2e - → 2SO 4 2 - (водн.) +2.01
    O 2 (г) + 4H + (водн.) + 4e - → 2H 2 O (л) +1.23
    Br 2 (л) + 2e - → 2Br - (водн.) +1.09
    Ag + (водн.) + E - → Ag (s) +0,80
    Fe 3 + (водн.) + E - → Fe 2 + (водн.) +0.77
    I 2 (л) + 2e - → 2I + (водн.) +0,54
    Cu 2 + (водн.) + 2e - → Cu (s) +0,34
    Sn 4 + (водн.) + 2e - → Sn 2 + (водн.) +0,15
    S (т.) + 2H + (водн.) + 2e - → H 2 S (г) +0.14
    2H + (водн.) + 2e - H 2 (г) 0,00
    Sn 2 + (водн.) + 2e - → Sn (г) -0,14
    V 3 + (водн.) + E - → V 2 + (водн.) -0.26
    Fe 2 + (водн.) + 2e - → Fe (s) -0,44
    Cr 3 + (водн.) + 3e - → Cr (s) -0,74
    Zn 2 + (водн.) + 2e - → Zn (s) -0,76
    Mn 2 + (водн.) + 2e - → Mn (s) -1.18
    Na + (водн.) + E - → Na (т. Е.) -2,71
    Li + (водн.) + E - → Li (s) -3,04

    Список литературы

    1. Петруччи, Харвуд, Селедка и Мадура. Общая химия: принципы и современные приложения. 9 изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education, 2007.
    2. Жумдал, Жумдал. Химия. 7 изд. Бостон, Нью-Джерси: Massachusetts Houghton Miffle Company, 2007.

    Верно или неверно

    1. Водород имеет окислительный потенциал 0.
    2. Стандартный окислительный потенциал не очень похож на стандартный восстановительный потенциал.
    3. Стандартный потенциал восстановительной ячейки и стандартный потенциал окислительной ячейки нельзя комбинировать.

    Решения

    1. Истинно
    2. Неверно: стандартный окислительный потенциал очень похож на стандартный восстановительный потенциал
    3. Неверно: стандартный потенциал восстановительной ячейки и стандартный потенциал окислительной ячейки можно объединить для определения общего потенциала ячейки

    Практические задачи

    1. Что измеряет стандартный потенциал сокращения?
    2. Каковы различия между стандартным восстановительным потенциалом и стандартным окислительным потенциалом и как они связаны?
    3. Какие условия должны быть соблюдены, чтобы потенциал стал стандартом?
    4. Когда измеряются стандартные восстановительные потенциалы, относительно каких потенциалов?
    5. Как измеряется стандартный потенциал сокращения выбросов?
    6. Объясните, как используется серия занятий.
    7. На основании ряда активности, какие виды будут окисляться и восстанавливаться: Zn 2 + или H + .
    8. Объясните, как применяются стандартные потенциалы восстановления или стандартные потенциалы окисления.
    9. Нарисуйте и пометьте ОНА.
    10. Стандартный восстановительный потенциал Fe 3 + составляет + 0,77 В. Каков его стандартный окислительный потенциал.

    Решения

    1. Стандартный восстановительный потенциал измеряет тенденцию к сокращению данного химического вещества.
    2. Стандартный окислительный потенциал измеряет склонность данного химического вещества к окислению, а не к восстановлению. Для одних и тех же химических соединений стандартный восстановительный потенциал и стандартный окислительный потенциал противоположны по знаку.
    3. Ячейка должна иметь температуру 298K, 1 атм, и все решения должны быть на уровне 1M.
    4. Стандартные потенциалы восстановления измеряются с относительностью к водороду, у которого всегда установлен нулевой потенциал.
    5. Стандартный восстановительный потенциал измеряется с помощью гальванического элемента, который содержит SHE с одной стороны и неизвестный химический полуэлемент с другой стороны.Количество заряда, проходящего между ячейками, измеряется с помощью вольтметра.
    6. Серия активности представляет собой список стандартных потенциалов восстановления в порядке убывания тенденции к сокращению химических веществ. Виды наверху с большей вероятностью будут сокращены, а виды внизу - с большей вероятностью окислены.
    7. H + находится дальше по ряду активности, чем Zn 2 + , поэтому H + восстанавливается, а Zn 2 + окисляется.
    8. Стандартные потенциалы восстановления и окисления могут применяться для решения стандартного потенциала ячейки двух различных неводородных частиц. Примеры можно увидеть в Cell Potentials.
    9. См. Рисунок (2).
    10. Стандартный окислительный потенциал и стандартный восстановительный потенциал всегда имеют противоположный знак для одного и того же вещества. Окислительный потенциал составляет -0,77 В.

    Авторы и авторство

    • Jiaxu Wang, Joslyn Wood, Esther Lee, Luvleen Brar (UCD)
    .

    Как я создал классификатор для определения потенциальной популярности песни. | Тариндра Паранагама

    Tharindra Paranagama

    Инструмент, который помогает музыкантам добиться успеха.

    С моей точки зрения, я видел, как многие музыканты, будь то группа или отдельные лица, не достигли желаемого статуса в обществе с точки зрения популярности, в то время как немногие доминируют в музыкальной индустрии. Поэтому я стремился разработать систему, в которой Каждый музыкальный энтузиаст, заинтересованный в проявлении своего уникального таланта с помощью песни (песен), получает возможность оценить потенциальную популярность, которую они могут получить от аудитории.

    Популярность связана с рейтингом, который зависит от предпочтений музыкальной аудитории. Всего будет три класса рейтинга, которые будут помечены как отлично, умеренно и плохо. Следовательно, более высокий рейтинг (отлично) предполагает популярность, аналогичную популярности других песен с высоким рейтингом среди музыкальной аудитории, и наоборот, в то время как средний рейтинг удерживает треки между двумя вышеупомянутыми.

    Tensorflow - популярная библиотека машинного обучения

    Pandas - библиотека обработки и манипулирования данными для python

    Librosa - инструмент анализа музыки и звука

    scikit-learn - другая библиотека машинного обучения (высокоуровневый API)

    numpy - удобный инструмент для эффективного выполнения операций с матрицами (2d-массивами)

    Операции, связанные с файловой системой, связанные с операционной системой

    CatBoost - библиотека, которая упрощает реализацию усиленных деревьев с меньшим переоснащением

    XGBoost - алгоритм повышения градиента

    Нам понадобится набор данных для работы, с которым мы должны будем работать вручную, так как я буду использовать сингальские песни, поскольку синахала - мой родной язык, и на их основе проводится меньше исследований.В настоящее время не существует набора данных, относящегося к сингальским песням. Таким образом, необходимо создать его. Наша задача будет заключаться в задаче классификации, которая принимает подход к обучению с учителем. Мы в первую очередь сосредоточимся на нейронных сетях в качестве нашего алгоритма классификации. В частности, мы будем использовать многослойную нейронную сеть, реализованную с использованием тензорного потока. Мы также проведем сравнение результатов, полученных с помощью многих методов, в разделе результатов.

    Полное выполнение процесса в системе

    При разработке решения мы рассматривали различные подходы, чтобы выбрать лучший.Сравнение производительности каждого подхода можно найти в разделе результатов. Были рассмотрены следующие реализации.

    1.Ванильные нейронные сети (многослойная нейронная сеть)

    2. Техника ансамбля (случайный лес)

    3. Повышение скорости (XGboost, CatBoost)

    4. Стекирование (2 базовых ученика, 1 мета-ученик)

    Создание набора данных

    Мы извлечем три значимых особенности для каждой песни из 8000+ музыкального репозитория с помощью librosa.Этими тремя характеристиками будут темп (удары в минуту), кепстральные коэффициенты частоты Mel (имитирующие некоторые части производства и восприятия речи человеком) и гармонический элемент (гармонический компонент в аудиосигнале). Причина использования этих трех функций заключается в том, что они считаются функциями высокого уровня музыки, а функции высокого уровня оказались более определяющими факторами предпочтений аудитории, поскольку они отражают характеристики, которые аудитория больше всего ценит. набор данных.Для этого мы используем кластеризацию K-средних, чтобы сгруппировать точки данных в три кластера, которые равны количеству классов рейтинга. Здесь мы предполагаем, что песни с похожими характеристиками генерируют значения характеристик, близкие друг к другу, поэтому при вычислении меры расстояния до Определите кластер, к которому принадлежат точки данных, расстояния для точек данных, которые имеют одинаковый рейтинг, будут иметь незначительные различия. После того, как метки были определены, объекты и метки были объединены для создания набора данных.

    Кластеризация, выполненная в наборе данных с использованием трех кластеров

    Меткам кластера будут присвоены случайные целые числа от 0 до числа кластеров -1 трем кластерам. Эти метки 0,1 и 2 являются просто обозначениями, которые разделяют три кластера и, следовательно, имеют нет числового представления. Поэтому, если кому-то нужно определить, какой лейбл является отличным, умеренным и плохим, чтобы оценить свое положение. Им придется определять успех с точки зрения своей точки зрения. Причина этого - субъективный характер музыки от человека к человеку .так, например, если я хочу оценить свою песню относительно того, что я считаю популярной песней, я должен сначала выбрать три песни, которые я считаю отличными, умеренными и плохими, и извлечь особенности этих песен и передать их системе и получить рейтинг / лейбл для этих песен. Теперь, поскольку я знаю, что лейблы означают с моей точки зрения, я могу передать свое творение системе, получить для него лейбл / рейтинг и сравнить, где я нахожусь.

    Первые несколько записей набора данныхLabel Distribution

    Предварительная обработка данных

    LabelBinerizer () в sklearn использовался для создания эквивалентного быстрого кодирования этикеток.

    StandardScaler () используется для стандартизации данных в соответствии с общим распределением Гаусса со средним значением, равным нулю, и стандартным отклонением, равным единице.

    Построение нейронной сети

    Нейронная сеть имеет входной слой, два скрытых слоя и выходной слой. Сначала мы создаем три заполнителя для ввода функций, меток и вероятности присутствия каждого нейрона, что требуется в слой исключения в качестве параметра. Значения для этих заполнителей будут предоставлены во время выполнения.Затем мы создаем каждый слой сети, объявляя веса и смещения для каждого слоя. Выпадения будут добавлены на выходе функции активации после каждого слоя, кроме выходного слоя. Основная концепция нейронных сетей с прямой связью заключается в том, что входы, которые передаются в слой, умножаются на матрицу весов и добавляются к смещениям в этом слое. Эти веса и смещения являются переменными, которые можно изменить, чтобы сделать функцию обучения обобщенной. Результат от уровня передается в активацию функция, которая отображает входы на выходы в определенном диапазоне в зависимости от функции активации.Функция активации для входного слоя и скрытых слоев будет tanh , в то время как выходной слой будет иметь функцию активации softmax . Лучшей активацией для промежуточных слоев оказалась tanh , для которой сравнение популярных функций активации с производительностью будут доступны в разделе результатов.

    Функция стоимости

    Используемая нами функция стоимости представляла собой функцию перекрестной энтропии. Она берет логарифмические значения предсказанных меток и умножает их на фактические метки.затем он суммирует и создает новые значения матрицы. Чтобы получить стоимость для каждой партии, мы вычисляем среднее значение по строкам матрицы. Теперь у нас есть матрица столбцов, в которой указывается стоимость каждой партии или одной эпохи.

    Функция оптимизации

    В качестве функции оптимизации мы используем стохастический градиентный спуск, который регулирует кривую обучения по скорости обучения в направлении снижения затрат.

    Обучение

    Обучение проводится партиями, чтобы уменьшить переобучение.Кроме того, количество эпох обучения устанавливается равным 200. Это должно быть сделано в рамках сеанса в Tensorflow, поскольку вычислительный граф в Tensorflow оценивается только в рамках сеанса. Значения, которые должны быть переданы в заполнители, передаются во время обучения с использованием параметра словаря feed_dict. Метод run в классе сеанса может использоваться для запуска операций вычислительного графа.

    Установка гиперпараметров

    Эпохи обучения

    Мы говорим, что эпоха завершена, когда мы использовали все данные обучения для процесса обучения.Данные обучения состоят из наших функций обучения и соответствующих меток обучения. Здесь мы установили период обучения равным 200, что означает, что мы тренируемся на всех данных обучения на 200 итерациях. Не существует идеального количества эпох обучения, которое мы могли бы использовать. Это зависит от сложности ваших данных. Поэтому вам следует выполнить настройку параметров или просто попробовать несколько конфигураций параметров, чтобы найти идеальное / подходящее значение для этих параметров.

    Гиперпараметр 1: training_epochs = 200

    Поскольку мы реализуем многослойную нейронную сеть.Он будет состоять из входного слоя, двух скрытых слоев и выходного слоя.

    Количество нейронов в скрытых слоях

    Скрытые слои - это слои, которые выполняют преобразования входных данных для выявления закономерностей и обобщения нашей модели. Здесь я использовал 120 нейронов в каждом из моих первого и второго скрытых слоев, что было достаточно для достижения приличная точность. Но, как я объяснил ранее, все гиперпараметры должны быть настроены таким образом, чтобы улучшить вашу модель.

    Гиперпараметр 2: n_neurons_in_h2 = 120

    Гиперпараметр 3: n_neurons_in_h3 = 120

    Скорость обучения

    Это фаза, на которой алгоритм обучается.Гуру машинного обучения говорят, что мы должны начать с высокой скорости обучения и постепенно снижать ее для достижения наилучших результатов. Кроме того, рекомендуется поддерживать скорость обучения в диапазоне от 0 до 1.

    Гиперпараметр 4: Learning_rate = 0,001

    Отсев

    Используется для уменьшения чрезмерной подгонки во время обучения.

    keep_prob = 0,5 для обучения и 1,0 для тестирования. Выпадение используется только во время обучения, но не тестирования. Вышеупомянутая вероятностная переменная определяет вероятность того, что каждый нейрон останется в слое.

    Наконец, модель может быть сохранена после обучения с помощью метода save () в классе Saver ().

    Меры, принятые для уменьшения чрезмерной подгонки

    1. Перетасовка набора данных

    2. Стандартизация набора данных

    3. Добавление выпадающих слоев

    4. Обучение набора данных партиями образцов.

    В этом разделе мы будем оценивать эффективность каждого подхода, который мы использовали при решении проблемы, и выводы, которые мы могли бы получить.

    Результаты настройки параметров следующие:

    Конфигурации гиперпараметров с изменениями точности

    Изменения других параметров (размер пакета и процент разделения):

    Изменения точности с другими конфигурациями параметров Изменение точности по эпохам обучения Изменение стоимости по эпохам обучения Сравнение производительности каждого подхода Важность характеристики plot

    На приведенной выше диаграмме показана прогностическая сила каждой функции, измеренная по шкале F (2TP / 2TP + FP + FN).Где TP - количество истинных положительных результатов, FP - количество ложных срабатываний, а FN - количество ложных отрицательных результатов.

    Вариация ошибки неправильной классификации с различными функциями активации

    Очевидно, что с точки зрения точности прогноза суммирование обеспечивает впечатляющие результаты за счет правильной классификации каждого элемента в каждом классе. Приемлемые результаты. Наиболее важным фактом является предвзятость набора данных, тем не менее, нейронная сеть смогла идентифицировать небольшую часть класса 2.Но это произошло после того, как многие методы, упомянутые выше, были включены для минимизации чрезмерной подгонки. Дальнейший tanh считается лучшим выбором с точки зрения выбора функции активации для слоев, отличных от выходного слоя.

    Исходный код для извлечения признаков Исходный код для реализации, обучения и оценки нейронной сети.

    Оставить комментарий

    avatar
      Подписаться  
    Уведомление о