So berechnen Sie die potenzielle Energie

Inhalt

• Potentielle Energieformel für das Gravitationsfeld der Erde
• Elastische potentielle Energie
• Elektrisches Potential oder Spannung

Potenzielle Energie klingt wie eine einfache Energie, die nicht verwirklicht wurde, und wenn Sie so denken, können Sie glauben, dass sie nicht real ist. Stellen Sie sich jedoch unter einen 30 Fuß über dem Boden hängenden Tresor, und Ihre Meinung könnte sich ändern. Der Safe hat aufgrund der Schwerkraft potenzielle Energie. Wenn jemand das Seil, das ihn hält, durchschneidet, wird diese Energie in kinetische Energie umgewandelt, und wenn der Safe Sie erreicht, hat er genug "aktualisierte" Energie, um sie abzugeben Sie spalten Kopfschmerzen.

Eine bessere potentielle Energiedefinition ist gespeicherte Energie, und es erfordert "Arbeit", um die Energie zu speichern. Die Physik hat eine spezifische Definition von Arbeit - Arbeit ist getan, wenn eine Kraft ein Objekt über eine Distanz bewegt. Arbeit ist mit Energie verbunden. Sie wird im SI-System in Joule gemessen. Dies sind auch potenzielle und kinetische Energieeinheiten. Um Arbeit in potentielle Energie umzuwandeln, muss man gegen eine bestimmte Art von Kraft vorgehen, und es gibt mehrere. Die Kraft könnte Gravitation, eine Feder oder ein elektrisches Feld sein. Die Eigenschaften der Kraft bestimmen die Menge der potenziellen Energie, die Sie speichern, indem Sie dagegen arbeiten.

Potentielle Energieformel für das Gravitationsfeld der Erde

Die Art und Weise, wie die Gravitation funktioniert, ist, dass zwei Körper sich gegenseitig anziehen, aber alles auf der Erde ist im Vergleich zum Planeten selbst so klein, dass nur das Gravitationsfeld der Erde von Bedeutung ist. Wenn Sie einen Körper heben (m) über dem Boden erfährt dieser Körper eine Kraft, die ihn dazu neigt, sich zum Boden hin zu beschleunigen. Die Größe der Kraft (F), aus Newtons 2. Hauptsatz, ist gegeben durch F = mg, wo G ist die Erdbeschleunigung, die überall auf der Erde konstant ist.

Angenommen, Sie heben den Körper auf eine Höhe h. Die Menge an Arbeit, die Sie tun, um dies zu erreichen, ist Kraft × Entfernung oder mgh. Diese Arbeit wird als potentielle Energie gespeichert. Die potentielle Energiegleichung für das Gravitationsfeld der Erde lautet also einfach:

Gravitationspotentialenergie = mgh

Elastische potentielle Energie

Federn, Gummibänder und andere elastische Materialien können Energie speichern. Genau das tun Sie, wenn Sie einen Bogen kurz vor dem Abschießen eines Pfeils zurückziehen. Wenn Sie eine Feder strecken oder zusammendrücken, übt sie eine entgegengesetzte Kraft aus, die die Feder in ihre Gleichgewichtsposition zurückbringt. Die Stärke der Kraft ist proportional zu der Strecke, um die Sie sie strecken oder zusammendrücken (X). Die Proportionalitätskonstante (k) ist charakteristisch für die Feder. Nach dem Hookes-Gesetz F = −kx. Das Minuszeichen gibt die Rückstellkraft der Feder an, die entgegengesetzt zu derjenigen wirkt, die sie spannt oder zusammendrückt.

Um die in einem elastischen Material gespeicherte potentielle Energie zu berechnen, muss man erkennen, dass die Kraft größer wird als X steigt. Für eine infinitesimale Distanz ist F jedoch konstant. Durch Summieren der Kräfte aller infinitesimalen Abstände zwischen 0 (Gleichgewicht) und der endgültigen Ausdehnung oder Kompression Xkönnen Sie die geleistete Arbeit und die gespeicherte Energie berechnen. Dieser Summierungsprozess ist eine mathematische Technik, die Integration genannt wird. Es ergibt sich die potentielle Energieformel für ein elastisches Material:

Mögliche Energie = kx²/2

wo X ist die Erweiterung und k ist die Federkonstante.

Elektrisches Potential oder Spannung

Ziehen Sie eine positive Ladung in Betracht q innerhalb eines elektrischen Feldes, das durch eine größere positive Ladung erzeugt wird Q.. Aufgrund der elektrischen Abstoßungskräfte ist es erforderlich, die kleinere Ladung näher an die größere zu bringen. Nach dem Coulombschen Gesetz ist die Kraft zwischen den Ladungen an jedem Punkt kqQ/r², wo r ist der Abstand zwischen ihnen. In diesem Fall, k ist Coulombs konstant, nicht die Federkonstante. Physiker bezeichnen beide mit k. Sie berechnen die potenzielle Energie, indem Sie die für den Umzug erforderliche Arbeit berücksichtigen q von unendlich weit von Q. zu seiner Entfernung r. Dies ergibt die elektrische Potentialenergiegleichung:

Elektrische potentielle Energie = kqQ/r

Das elektrische Potential ist etwas anders. Die pro Ladungseinheit gespeicherte Energiemenge und die Spannung werden in Volt (Joule / Coulomb) angegeben. Die Gleichung für das elektrische Potential oder die Spannung, die durch die Ladung erzeugt wird Q. in einiger Entfernung r ist:

Elektrisches Potential = kQ/r