תוֹכֶן
אנרגיה פוטנציאלית נשמעת כמו האנרגיה הפשוטה שלה שלא הפכה למימוש, וחשיבה עליה כזו יכולה להרגיע אותך ולהאמין שהיא לא אמיתית. עם זאת, עמד מתחת לכספת תלויה בגובה של מטר וחצי מעל פני האדמה, ודעתך עשויה להשתנות. לכספת אנרגיה פוטנציאלית כתוצאה מכוח הכובד, ואם מישהו היה חותך את החבל המחזיק אותו, אנרגיה זו תהפוך לאנרגיה קינטית, וכאשר הכספת הייתה מגיעה אליך, היה לו מספיק אנרגיה "ממומשת" כדי לתת אתה כאב ראש מתפצל.
הגדרת אנרגיה פוטנציאלית טובה יותר היא אנרגיה מאוחסנת, ונדרשת "עבודה" כדי לאגור את האנרגיה. לפיזיקה יש הגדרה ספציפית לעבודה - העבודה נעשית כאשר כוח מזיז עצם למרחק. עבודה קשורה לאנרגיה. הוא נמדד בג'אולים במערכת ה- SI. שהם גם יחידות אנרגיה פוטנציאלית וקינטית. כדי להמיר עבודה לאנרגיה פוטנציאלית, אתה צריך לפעול נגד סוג מסוים של כוח, ויש כמה כאלה. הכוח יכול להיות כוח משיכה, קפיץ או שדה חשמלי. מאפייני הכוח קובעים את כמות האנרגיה הפוטנציאלית שאתה אוגר על ידי ביצוע נגדו.
נוסחת אנרגיה פוטנציאלית לשדה הכבידה של כדור הארץ
אופן הפעולה של הכבידה הוא ששני גופים מושכים זה את זה, אך הכל על פני האדמה הוא כה קטן בהשוואה לכוכב הלכת עצמו שרק שדה הכבידה של האדמות הוא משמעותי. אם מרימים גוף (M) מעל האדמה, הגוף הזה חווה כוח שנוטה לגרום לו להאיץ לכיוון האדמה. גודל הכוח (ו), מהחוק השני של ניוטון, ניתן על ידי ו = מ"ג, איפה ז היא ההאצה כתוצאה מכוח הכבידה, שהיא קבועה בכל מקום על פני כדור הארץ.
נניח שאתה מרים את הגוף לגובה ח. כמות העבודה שאתה עושה כדי להשיג זאת היא כוח × מרחק, או mgh. עבודה זו מאוחסנת כאנרגיה פוטנציאלית, כך שמשוואת האנרגיה הפוטנציאלית לשדה הכבידה של כדור הארץ היא פשוט:
אנרגיה פוטנציאלית כבידה = mgh
אנרגיה אלסטית פוטנציאלית
קפיצים, גומיות וחומרים אלסטיים אחרים יכולים לאגור אנרגיה, וזה בעצם מה שאתה עושה כשאתה מושך קשת לאחור לפני שאתה יורה על חץ. כשאתה מותח או דוחס קפיץ הוא מפעיל כוח הפוך הפועל להחזרת הקפיץ למצב שיווי המשקל שלו. גודל הכוח פרופורציונאלי למרחק שאתה מותח או דוחס אותו (איקס). המידתיות קבועה (k) מאפיין את המעיין. על פי חוק הוקס, ו = −kx. סימן המינוס מציין את כוח השיקום של הקפיץ, הפועל בכיוון ההפוך לזה שנמתח או דוחס אותו.
כדי לחשב את האנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת בחומר אלסטי, עליכם להכיר בכך שהכוח הולך וגדל ככל איקס עולה. אולם למרחק אינסופי, F קבוע. על ידי סיכום הכוחות של כל המרחקים האינפיניטסימליים בין 0 (שיווי משקל) והסיומת או הדחיסה הסופיים. איקס, אתה יכול לחשב את העבודה שנעשתה ואת האנרגיה המאוחסנת. תהליך סיכום זה הוא טכניקה מתמטית הנקראת אינטגרציה. היא מייצרת את נוסחת האנרגיה הפוטנציאלית לחומר אלסטי:
אנרגיה פוטנציאלית = kx2/2
איפה איקס הוא הרחבה ו- k הוא הקפיץ הקבוע.
פוטנציאל חשמלי או מתח
שקול להזיז חיוב חיובי ש בתוך שדה חשמלי שנוצר באמצעות מטען חיובי גדול יותר ש. בגלל כוחות דוחים חשמליים, דרושה עבודה כדי לקרב את המטען הקטן יותר לזה הגדול יותר. על פי חוק קולומבס, הכוח בין המטענים בכל שלב שהוא kqQ/r2, איפה r הוא המרחק ביניהם. במקרה הזה, k הוא קולומבס קבוע, לא קבוע האביב. פיזיקאים מציינים את שניהם על ידי k. מחשבים את האנרגיה הפוטנציאלית על ידי התחשבות בעבודה הדרושה לנוע ש מרחוק עד אינסוף ש למרחקו r. זה נותן את משוואת האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית:
אנרגיה פוטנציאלית חשמלית = kqQ/r
הפוטנציאל החשמלי שונה במקצת. כמות האנרגיה המאוחסנת לטעינה יחידה, והיא הידועה כמתח, נמדדת בוולטים (ג'ול / קולומב). המשוואה לפוטנציאל או למתח החשמלי שנוצר על ידי המטען ש ממרחק r פועל עזר לגוף שני:
פוטנציאל חשמלי = kQ/r