Potentielle Energie

Potenzielle Energie ist die gespeicherte oder aufgestaute Energie eines Objekts. Sie wird oft mit der kinetischen Energie kontrastiert.

In der Physik ist die potentielle Energie die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Kraftfeld hat oder die ein System aufgrund der Art und Weise, wie seine Teile angeordnet sind, hat. Gängige Typen umfassen die gravitative Potentialenergie eines Objekts, die von seiner vertikalen Position und Masse abhängt, die elastische Potentialenergie einer ausgefahrenen Feder und die elektrische Potentialenergie einer Ladung in einem elektrischen Feld. Die SI-Einheit für Energie ist das Joule (Symbol J).

Potenzielle Energie ist oft mit Rückstellkräften wie einer Feder oder der Schwerkraft verbunden. Die Wirkung des Dehnens der Feder oder des Anhebens der Masse wird durch eine äußere Kraft ausgeübt, die gegen das Kraftfeld des Potenzials wirkt. Diese Arbeit wird im Kraftfeld gespeichert, das als potentielle Energie bezeichnet wird. Wenn die externe Kraft entfernt wird, wirkt das Kraftfeld auf den Körper ein, um die Arbeit zu verrichten, indem es den Körper in die Ausgangsposition zurückbewegt, wodurch die Dehnung der Feder verringert oder ein Körper zum Fallen gebracht wird. Wenn dies geschieht, wandelt sich die potentielle Energie in kinetische Energie um. Die Gesamtenergie bleibt aufgrund des Energieerhaltungssatzes gleich.

Physiker sagen, dass die potentielle Energie die Differenz zwischen der Energie eines Objekts an einer bestimmten Position und seiner Energie an einer Referenzposition ist.

Einfache Beispiele

Wenn man einen Felsen bergauf bringt, erhöht sich seine potentielle Energie unter der Schwerkraft. Das Dehnen eines Gummibandes erhöht seine elastische potentielle Energie, die eine Form der elektrischen potentiellen Energie ist. Eine Mischung aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel hat eine chemische Potentialenergie, die eine andere Form der elektrischen Potentialenergie ist. Auch Batterien haben eine chemische Potentialenergie.

Arten von potentieller Energie

Es gibt verschiedene Arten von potentieller Energie, die jeweils mit einer bestimmten Art von Kraft verbunden sind.

Gravitationspotential-Energie

Gravitationspotentialenergie wird von einem Objekt erfahren, wenn Höhe und Masse ein Faktor im System sind. Die potentielle Gravitationsenergie bewirkt, dass sich Objekte aufeinander zu bewegen. Wenn ein Objekt in einer bestimmten Entfernung von der Oberfläche von der Erde angehoben wird, wird die Kraft durch Gewicht und Höhe verursacht. Arbeit wird als Kraft über eine Entfernung definiert, und Arbeit ist ein anderes Wort für Energie. Die potenzielle Energie, die beim Anheben eines Objekts hinzugefügt wird, ist:

U = F Δ h {\Darstellungsstil U=F\Delta h} $U = F \Delta h$

F {\Anzeigestil F} ist die Schwerkraft

Δ h {\Anzeigestil \Delta h} $\Delta h$ ist die Änderung der Höhe

oder

U = m g h {\Anzeigeart U=mgh} U = mgh

Hier g = 9,81 m / s 2 {\Textart g=9,81\ \mathrm {m/s} ^{2}}} ${\textstyle g=9.81\ \mathrm {m/s} ^{2}}$ ist die Erdbeschleunigung.

Die Gesamtarbeit, die von der potentiellen Gravitationsenergie geleistet wird, wenn ein Objekt von Position 1 zu Position 2 fällt, ist:

Δ W = U 1 - U 2 {\Anzeigestil \Delta W=U_{1}-U_{2}}} $\Delta W = U_1-U_2$

oder

Δ W = m g h 1 - m g h 2 {\Anzeigestil \Delta W=mgh_{1}-mgh_{2}} $\Delta W = mgh_1-mgh_2$

m {\Anzeigestil m} ist die Masse des Objekts

h 1 {\Anzeigestil h_{1}} h_1 ist die erste Position

h 2 {\Anzeigestil h_{2}} h_2 ist die zweite Position

Elektrische potentielle Energie

Elektrische potentielle Energie wird durch unterschiedliche und gleiche Ladungen erfahren, da sie sich gegenseitig abstoßen oder anziehen. Ladungen können entweder positiv (+) oder negativ (-) sein, wobei entgegengesetzte Ladungen sich anziehen und ähnliche Ladungen sich abstoßen. Wenn zwei Ladungen in einem bestimmten Abstand voneinander platziert wurden, lässt sich die zwischen den Ladungen gespeicherte potenzielle Energie berechnen, indem

U = k Q q r {\Anzeigestil U={\frac {kQq}{r}}}} $U = \frac{kQq}{r}$

k {\Anzeigestil k} ist 1/4πє (für Luft oder Vakuum ist es 9 x 10 9 N m 2 / C 2 {\Anzeigestil 9x10^{9}Nm^{2}/C^{2}}} 9 x 10^9 N m^2/C^2 )

Q {\Anzeigestil Q} ist die erste Ladung

q {\Anzeigestil q} ist der zweite Vorwurf

r {\Anzeigestil r} ist der Abstand

Elastische potentielle Energie

Elastische potentielle Energie wird erfahren, wenn ein gummiartiges Material weggezogen oder zusammengeschoben wird. Die Höhe der potentiellen Energie, die das Material hat, hängt von der Strecke ab, die es gezogen oder geschoben wird. Je länger die geschobene Strecke, desto größer ist die elastische potentielle Energie, die das Material hat. Wenn ein Material gezogen oder geschoben wird, kann die potentielle Energie berechnet werden, indem

U = 1 2 k x 2 {\Anzeigestil U={\frac {1}{\frac {1}{2}}kx^{2}}} $U = \frac{1}{2}kx^2$

k {\Anzeigestil k} ist die Federkraftkonstante (wie gut sich das Material dehnt oder staucht)

x {\Anzeigestil x} ist die Entfernung, um die sich das Material von seiner ursprünglichen Position bewegt hat

Fragen und Antworten

F: Was ist potentielle Energie?

A: Potentielle Energie ist die gespeicherte oder aufgestaute Energie eines Objekts. Sie wird oft mit der kinetischen Energie verglichen und ist die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Kraftfeld hat oder die ein System aufgrund der Art und Weise hat, wie seine Teile angeordnet sind.

F: Welche Arten von potenzieller Energie sind üblich?

A: Zu den gebräuchlichen Arten von potenzieller Energie gehören die potenzielle Gravitationsenergie, die elastische potenzielle Energie und die elektrische potenzielle Energie.

Q: Was ist die SI-Einheit für die Messung von Energie?

A: Die SI-Einheit für die Messung von Energie ist das Joule (Symbol J).

F: Wie wird Arbeit als potenzielle Energie gespeichert?

A: Arbeit wird als potenzielle Energie gespeichert, wenn sie durch eine äußere Kraft verrichtet wird, die gegen das Kraftfeld des Potenzials wirkt. Diese Arbeit wird dann im Kraftfeld als potenzielle Energie gespeichert.

F: Wie verwandelt sich potenzielle in kinetische Energie?

A: Wenn eine äußere Kraft, die gegen das Kraftfeld einer bestimmten Position arbeitete, wegfällt, bewegt sich der Körper in seine Ausgangsposition zurück, wodurch die Dehnung einer Feder verringert oder ein Körper zu Fall gebracht wird. An diesem Punkt wandelt sich das vorhandene Potenzial in kinetische Energie um und die Gesamtmenge bleibt aufgrund des Energieerhaltungssatzes konstant.

F: Wie definieren Physiker die potentielle Energie?

A: Physiker sagen, dass die potentielle Energie als Differenz zwischen den Energien eines Objekts in einer bestimmten Position und einer Referenzposition definiert werden kann.