Potentiel energi – definition, typer, eksempler og SI-enhed (Joule)
Lær om potentiel energi: definition, typer (tyngde, elastisk, elektrisk), konkrete eksempler, beregninger og SI‑enheden joule — klart, kort og brugbart.
Potentiel energi er den oplagrede eller ophobede energi i et objekt. Den står ofte i modsætning til den kinetiske energi. I fysik er potentiel energi den energi, som et objekt har på grund af sin placering i et kraftfelt, eller som et system har på grund af den måde, hvorpå dets dele er anbragt. Almindelige typer omfatter den potentielle tyngdeenergi for et objekt, der afhænger af dets lodrette position og masse, den elastiske potentielle energi for en udstrakt fjeder og den elektriske potentielle energi for en ladning i et elektrisk felt. SI-enheden for energi er joule (symbol J).
Hvad menes med potentiel energi?
Potentiel energi beskriver den energi, der kan frigives, når et system ændrer sin konfiguration eller position i et kraftfelt. Den er tæt forbundet med genoprettende kræfter som f.eks. en fjeder eller tyngdekraften. For at strække fjederen eller løfte en masse anvendes en ydre kraft, der virker mod potentialets kraftfelt. Dette arbejde lagres i kraftfeltet og siges at være lagret som potentiel energi. Hvis den ydre kraft fjernes, virker kraftfeltet på kroppen for at udføre arbejdet, idet det flytter kroppen tilbage mod en lavere energitilstand. Når dette sker, ændres den potentielle energi til kinetisk energi. Den samlede energi forbliver den samme på grund af loven om bevarelse af energi.
Reference og nulpunkt
Fysikere siger ofte, at potentiel energi er forskellen mellem energien af et objekt i en given position og dets energi i en valgt referenceposition (nulpunkt). Valget af nulpunkt er vilkårligt og påvirker ikke fysikken, fordi kun energiforskelle har fysisk betydning. For eksempel vælger man ofte jordens overflade eller et punkt i uendelig afstand som reference, afhængigt af problemstillingen.
Konservative kræfter og egenskaber
- Potentiel energi kan kun entydigt defineres for konservative kræfter, hvor det udførte arbejde er uafhængigt af banen mellem to punkter.
- For konservative felter gælder, at arbejde fra A til B kun afhænger af positionsforskel, og at et lukket kredsløb har nettoarbejde nul.
- Tyngdekraft og elektrostatisk kraft er eksempler på konservative kræfter; friktion er en ikke-konservativ kraft og omdanner energi til varme, så potentiel energi ikke kan defineres på samme måde.
Almindelige udtryk (formler)
- Tyngdepotentiel energi (nær Jordens overflade): U = m g h, hvor m er masse (kg), g er tyngdeacceleration (~9,81 m/s²) og h er højden (m).
- Elastisk potentiel energi (ideel fjeder): U = 1/2 k x², hvor k er fjederkonstanten (N/m) og x er forlængelsen eller kompressionen (m).
- Elektrisk potentiel energi mellem to punktladninger (Coulombs lov): U = (1/(4πϵ0)) · (q1 q2 / r), hvor q1 og q2 er ladninger og r er afstanden mellem dem.
Eksempler med tal
- Tyngdeenergi: En kasse på 2,0 kg løftes 3,0 m op. U = m g h = 2,0·9,81·3,0 ≈ 58,9 J.
- Elastisk energi: En fjeder med k = 200 N/m trækkes 0,10 m ud. U = 1/2·200·(0,10)² = 1,0 J.
Anvendelser og betydning
Potentiel energi er et centralt begreb i mange områder: mekanik (svingende systemer, pendul, løft), ingeniørarbejde (strukturer under belastning), elektroteknik (lagring i kondensatorer og batterier), geofysik (gravitationelle potentialer) og kvantemekanik (potentialbrønde og energiniveauer). At forstå potentiel energi gør det muligt at analysere energioverførsel, stabilitet og arbejdspotentiale i systemer.
Opsummering
Potentiel energi er en form for lagret energi knyttet til position eller konfiguration i et kraftfelt. Den måles i joule, afhænger af valg af referenceniveau, og den kan omdannes til kinetisk energi, så den samlede energi bevares. For konservative kræfter findes entydige potentielle energifunktioner, som gør det nemmere at analysere bevægelse og energibalance i fysiske systemer.
Enkle eksempler
Når en sten bringes op ad bakke, øges dens potentielle energi under tyngdekraften. Når man strækker et elastikbånd, øges dets elastiske potentielle energi, som er en form for elektrisk potentiel energi. En blanding af et brændstof og et oxidationsmiddel har en kemisk potentiel energi, som er en anden form for elektrisk potentiel energi. Batterier har også kemisk potentiel energi.
Typer af potentiel energi
Der findes forskellige typer af potentiel energi, som hver især er forbundet med en bestemt type kraft.
Gravitationspotentiel energi
Gravitationspotentiel energi opleves af et objekt, når højde og masse er en faktor i systemet. Gravitationspotentiel energi får objekter til at bevæge sig mod hinanden. Hvis en genstand løftes i en vis afstand fra jordens overflade, er den kraft, der opleves, forårsaget af vægt og højde. Arbejde defineres som en kraft over en afstand, og arbejde er et andet ord for energi. Den potentielle energi, der tilføjes, når man løfter en genstand, er:
U = F Δ h {\displaystyle U=F\Delta h} 
hvor
F {\displaystyle F}
er tyngdekraften
Δ h {\displaystyle \Delta h}
er ændringen i højden
eller
U = m g h {\displaystyle U=mgh} 
Her er g = 9,81 m / s 2 {\textstyle g=9,81\ \mathrm {m/s} ^{2}}}
er accelerationen på grund af tyngdekraften.
Det samlede arbejde, der udføres af den potentielle tyngdeenergi, når en genstand falder fra position 1 til position 2, er:
Δ W = U 1 - U 2 {\displaystyle \Delta W=U_{1}-U_{2}}} 
eller
Δ W = m g h 1 - m g h 2 {\displaystyle \Delta W=mgh_{1}-mgh_{2}}} 
hvor
m {\displaystyle m}
er objektets masse
h 1 {\displaystyle h_{1}}}
er den første position
h 2 {\displaystyle h_{2}}
er den anden position
Elektrisk potentiel energi
Elektrisk potentiel energi opleves af både forskellige og ens ladninger, når de frastøder eller tiltrækker hinanden. Ladninger kan enten være positive (+) eller negative (-), hvor modsatte ladninger tiltrækkes og ens ladninger frastødes. Hvis to ladninger er placeret i en vis afstand fra hinanden, kan den potentielle energi, der er lagret mellem ladningerne, beregnes ved at:
U = k Q q q r {\displaystyle U={{\frac {kQq}{r}}} 
hvor
k {\displaystyle k}
er 1/4πє (for luft eller vakuum er det 9 x 10 9 N m 2 / C 2 {\displaystyle 9x10^{9}Nm^{2}/C^{2}}} 
)
Q {\displaystyle Q}
er den første ladning
q {\displaystyle q}
er den anden ladning
r {\displaystyle r}
er afstanden mellem de to enheder
Elastisk potentiel energi
Elastisk potentiel energi opstår, når et gummiagtigt materiale trækkes væk eller skubbes sammen. Hvor meget potentiel energi materialet har, afhænger af den afstand, der trækkes eller skubbes. Jo længere afstanden skubbes, jo større er den elastiske potentielle energi, som materialet har. Hvis et materiale trækkes eller skubbes, kan den potentielle energi beregnes ved at:
U = 1 2 k x 2 {\displaystyle U={\frac {1}{2}}}kx^{2}}} 
hvor
k {\displaystyle k} er fjederkraftkonstanten (hvor godt materialet strækkes eller komprimeres)
x {\displaystyle x}
er den afstand, som materialet har bevæget sig fra sin oprindelige position
Relaterede sider
- Kinetisk energi
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er potentiel energi?
A: Potentiel energi er den oplagrede eller ophobede energi i et objekt. Den står ofte i modsætning til kinetisk energi og er den energi, som et objekt har på grund af sin placering i et kraftfelt, eller som et system har på grund af den måde, hvorpå dets dele er anbragt.
Sp: Hvad er nogle almindelige typer af potentiel energi?
Svar: Almindelige typer af potentiel energi omfatter gravitationspotentiel energi, elastisk potentiel energi og elektrisk potentiel energi.
Spørgsmål: Hvad er SI-enheden til måling af energi?
A: SI-enheden til måling af energi er joule (symbol J).
Spørgsmål: Hvordan lagres arbejde som potentiel energi?
Svar: Arbejde lagres som potentiel energi, når det udføres af en ydre kraft, der virker mod potentialets kraftfelt. Dette arbejde lagres så i kraftfeltet som potentiel energi.
Spørgsmål: Hvordan ændres potentiel til kinetisk?
Svar: Når en ydre kraft, der arbejdede mod et kraftfelt i en given position, fjernes, får dette kroppen til at bevæge sig tilbage til sin udgangsposition, hvilket reducerer et eventuelt stræk på en fjeder eller får en krop til at falde. På dette tidspunkt ændres ethvert eksisterende potentiale til kinetisk, og den samlede mængde af den samlede mængde forbliver konstant på grund af loven om bevarelse af energi.
Spørgsmål: Hvordan definerer fysikere potentiel energi?
A: Fysikere siger, at potentiel energi kan defineres som forskellen mellem energierne for et objekt i en given position og en referenceposition.
Søge