Sisältö
- Mahdollisen energian kaava maapallon gravitaatiokentälle
- Elastinen potentiaalienergia
- Sähköpotentiaali tai jännite
Potentiaalinen energia kuulostaa siltä, että sen yksinkertainen energia, joka ei ole toteutunut, ja ajattelemalla sitä, voi sinut uskoa sen olevan totta. Seiso kuitenkin turvallisesti ripustetun 30 metrin korkeudessa maanpinnan yläpuolella, ja mielipiteesi saattaa muuttua. Turvallisella on potentiaalienergiaa painovoiman takia, ja jos joku leikkaa sitä pitävän köyden, se muuttuu kineettiseksi energiaksi, ja siihen mennessä kun turvallinen saavuttaa sinut, sillä olisi tarpeeksi "aktualisoitunut" energia antaa sinä hajoava päänsärky.
Parempi potentiaalienergian määritelmä on varastoitu energia, ja energian varastointi vie "työtä". Fysiikassa on oma määritelmä työlle - työ tehdään, kun voima siirtää esineen etäisyyden päästä. Työ liittyy energiaan. Sitä mitataan SI-järjestelmän jouleissa, jotka ovat myös potentiaalisen ja kineettisen energian yksiköitä. Työn muuntamiseksi potentiaaliseksi energiaksi täytyy toimia tietyn tyyppisiä voimia vastaan, ja niitä on useita. Voima voi olla painovoima, jousi tai sähkökenttä. Voiman ominaisuudet määrittävät tallennetun potentiaalisen energian määrän tekemällä työtä sitä vastaan.
Mahdollisen energian kaava maapallon gravitaatiokentälle
Painovoima toimii siten, että kaksi kehoa houkuttelee toisiaan, mutta kaikki maan päällä on niin pieni verrattuna itse planeettaan, että vain maapallon gravitaatiokenttä on merkittävä. Jos nostat vartaloa (m) maanpinnan yläpuolella, vartalo kokee voiman, joka taipumus saa sen kiihtymään kohti maata. Voiman suuruus (F), Newtonin toisesta laista, antaa F = mg, missä g on painovoimasta johtuva kiihtyvyys, joka on vakio kaikkialla maapallolla.
Oletetaan, että nostat korin korkeudelle h. Työn määrä, jonka teet tämän suorittamiseksi, on voima × etäisyys tai MGH. Tämä työ varastoidaan potentiaalienergiana, joten maapallon gravitaatiokentän potentiaalienergiayhtälö on yksinkertaisesti:
Painovoimapotentiaalienergia = MGH
Elastinen potentiaalienergia
Jouset, kuminauhat ja muut joustavat materiaalit voivat varastoida energiaa, mikä on käytännössä mitä teet, kun vedät keulan juuri ennen nuolen ampumista. Kun venytät tai pakotat jousta, se kohdistaa vastakkaisen voiman, joka toimii palauttamalla jousi tasapainoasentoon. Voiman suuruus on verrannollinen etäisyyteen, jonka venit tai puristit (x). Suhteellisuusvakio (K) on ominaista keväälle. Hookesin lain mukaan F = −kx. Miinusmerkki osoittaa jousen palautusvoiman, joka toimii vastakkaiseen suuntaan kuin sitä venyttävä tai puristava jousi.
Jotta elastiseen materiaaliin varastoitunut potentiaalienergia voidaan laskea, sinun on ymmärrettävä, että voima kasvaa x lisääntyy. Äärimmäisen pienelle etäisyydelle F on kuitenkin vakio. Liittämällä yhteen kaikkien loputtomien etäisyyksien voimat 0 (tasapaino) ja lopullisen jatkeen tai puristuksen välillä x, voit laskea tehdyn työn ja varastoidun energian. Tämä summausprosessi on matemaattinen tekniikka, jota kutsutaan integraatioksi. Se tuottaa potentiaalienergian kaavan joustavalle materiaalille:
Potentiaalinen energia = kx2/2
missä x on laajennus ja K on jousvakio.
Sähköpotentiaali tai jännite
Harkitse positiivisen varauksen siirtämistä q suuremman positiivisen varauksen tuottaman sähkökentän sisällä Q. Sähköisten työntövoimien takia pienemmän varauksen siirtäminen lähemmäksi suurempaa vaatii työtä. Coulombsin lain mukaan voimien välinen voima on missä tahansa vaiheessa kqQ/R2, missä R on niiden välinen etäisyys. Tässä tapauksessa, K on Coulombs-vakio, ei jousvakio. Fyysikot kuvaavat molempia K. Lasket potentiaalisen energian ottamalla huomioon liikuttamiseen tarvittavan työn q äärettömän kaukana Q sen etäisyydelle R. Tämä antaa sähköpotentiaalienergiayhtälön:
Sähköinen potentiaalienergia = kqQ/R
Sähköpotentiaali on hiukan erilainen. Sen varastoidun energian määrä yksikköä kohti ja nimeltään jännite, mittaa volteissa (jouleina / coulombina). Varauksen tuottaman sähköpotentiaalin tai jännitteen yhtälö Q matkan päästä R on:
Sähköpotentiaali = kQ/R