Potentiell energi låter som om det helt enkelt är energi som inte har blivit aktualiserad, och att tänka på det på det sättet kan få dig att tro att det inte är verkligt. Stå dock under ett säkert hängande 30 meter över marken, och din åsikt kan ändras. Kassaskåpet har potentiell energi på grund av tyngdkraften, och om någon skulle klippa repet som håller det, skulle den energin vända till kinetisk energi, och när kassaskåpet når dig, skulle det ha tillräckligt med "aktualiserad" energi för att ge dig en splittring huvudvärk.
En bättre potentiell energidefinition är lagrad energi, och det krävs "arbete" för att lagra energin. Fysik har en specifik definition av arbete - arbete utförs när en kraft rör ett objekt över ett avstånd. Arbete är relaterat till energi. Det mäts i joule i SI-systemet., Som också är potentiella och kinetiska energienheter. För att omvandla arbete till potentiell energi måste du agera mot en viss typ av kraft, och det finns flera. Kraften kan vara gravitation, en fjäder eller ett elektriskt fält. Kraftens egenskaper bestämmer mängden potentiell energi du lagrar genom att arbeta mot den.
Potentiell energiformel för jordens gravitationella fält
Såsom gravitationen fungerar är att två kroppar lockar varandra, men allt på jorden är så litet jämfört med själva planeten att endast jordens gravitationsfält är signifikant. Om du lyfter en kropp (m) ovanför marken, upplever den kroppen en kraft som tenderar att få den att accelerera mot marken. Kraftens storlek (F), från Newtons andra lag, ges av F = mg, var g är accelerationen på grund av tyngdkraften, som är konstant överallt på jorden.
Antag att du lyfter kroppen till en höjd h. Mängden arbete du gör för att utföra detta är kraft × avstånd, eller mgh. Det arbetet lagras som potentiell energi, så den potentiella energiekvationen för jordens gravitationsfält är helt enkelt:
Gravitationspotentialenergi = mgh
Elastisk potentiell energi
Fjädrar, gummiband och andra elastiska material kan lagra energi, vilket i huvudsak är vad du gör när du drar tillbaka en båge strax innan du skjuter en pil. När du sträcker eller komprimerar en fjäder utövar den en motsatt kraft som verkar för att återställa fjädern till dess jämviktsposition Kraftens storlek är proportionell mot avståndet du sträcker eller komprimerar Det (x). Proportionalitetskonstanten (k) är kännetecknande för våren. Enligt Hookes lag, F = −kx. Minustecknet indikerar fjäderns återställningskraft, som verkar i motsatt riktning mot den som sträcker eller komprimerar den.
För att beräkna den potentiella energin som lagras i ett elastiskt material måste du inse att kraften blir större som x ökar. För ett oändligt minimalt avstånd är F dock konstant. Genom att summera krafterna för alla oändliga avstånd mellan 0 (jämvikt) och den slutliga förlängningen eller kompressionen x, kan du beräkna utfört arbete och lagrad energi. Denna summeringsprocess är en matematisk teknik som kallas integration. Det producerar den potentiella energiformeln för ett elastiskt material:
Potentiell energi = kx2/2
var x är förlängningen och k är vårkonstanten.
Elektrisk potential eller spänning
Överväg att flytta en positiv laddning q inom ett elektriskt fält genererat av en större positiv laddning F. På grund av elektriska avstötningskrafter krävs arbete för att flytta den mindre laddningen närmare den större. Enligt Coulombs lag är kraften mellan anklagelserna när som helst kqQ/r2, var r är avståndet mellan dem. I detta fall, k är Coulombs konstant, inte vårkonstanten. Fysiker betecknar dem båda med k. Du beräknar den potentiella energin genom att överväga det arbete som behövs för att flytta q från oändligt långt ifrån F till dess avstånd r. Detta ger den elektriska potentiella energiekvationen:
Elektrisk potentiell energi = kqQ/r
Elektrisk potential är något annorlunda. Det är mängden energi som lagras per enhetsladdning, och den kallas spänning, mått i volt (joule / coulomb). Ekvationen för den elektriska potentialen eller spänningen som genereras av laddningen F på ett avstånd r är:
Elektrisk potential = kQ/r