انرژی پتانسیل الکتریکی: نیروی ذخیرهشده در بارها
انرژی پتانسیل الکتریکی چیست؟
برای درک این مفهوم، ابتدا باید با دو ایده آشنا شویم: انرژی پتانسیل۲ و بار الکتریکی۳. انرژی پتانسیل، انرژی ذخیرهشده در یک جسم به دلیل موقعیت یا شرایط آن است. یک مثال ساده و روزمره، کشیدن یک کش است. وقتی کش را میکشید، انرژی در آن ذخیره میشود (انرژی پتانسیل کشسانی) و با رها کردن، این انرژی آزاد میگردد. به طور مشابه، بارهای الکتریکی نیز به دلیل موقعیت نسبیشان در میدان الکتریکی، انرژی در خود ذخیره میکنند.
بارهای همنام (مثبت-مثبت یا منفی-منفی) یکدیگر را دفع میکنند و بارهای ناهمنام (مثبت-منفی) یکدیگر را جذب میکنند. برای نزدیک کردن دو بار همنام به هم، باید کار۴ انجام دهیم (مثلاً با اعمال نیرو آنها را به هم فشار دهیم). این کار انجامشده در سیستم ذخیره میشود و به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی درمیآید. برعکس، اگر دو بار ناهمنام را از هم دور کنیم، باید کار انجام دهیم و این کار نیز در سیستم به صورت انرژی ذخیره میشود.
$ U = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r} $
که در آن: $ q_1 $ و $ q_2 $ اندازه بارها، $ r $ فاصله بین آنها و $ \epsilon_0 $ یک ثابت فیزیکی (گذردهی خلأ) است.
مقایسه با دیگر شکلهای انرژی پتانسیل
برای درک بهتر، میتوان انرژی پتانسیل الکتریکی را با انرژی پتانسیل گرانشی مقایسه کرد. وقتی کتابی را از روی زمین بلند میکنید، کاری در برابر نیروی جاذبه زمین انجام میدهید. این کار به صورت انرژی پتانسیل گرانشی در سیستم "کتاب-زمین" ذخیره میشود. به طور مشابه، وقتی دو بار همنام را به هم نزدیک میکنید، کاری در برابر نیروی دافعه الکتریکی انجام میدهید که به صورت انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره میشود.
| ویژگی | انرژی پتانسیل گرانشی | انرژی پتانسیل الکتریکی |
|---|---|---|
| نیروی مؤثر | گرانش | نیروی الکتریکی (کولن) |
| وابستگی به فاصله | مستقیم با $ \frac{1}{r} $ | مستقیم با $ \frac{1}{r} $ |
| نوع برهمکنش | همیشه جاذبه | جاذبه یا دافعه (بسته به نوع بار) |
| مثال | بلند کردن یک کتاب | نزدیک کردن دو آهنربا |
محاسبه انرژی پتانسیل الکتریکی
محاسبه این انرژی بستگی به شرایط دارد. سادهترین حالت، زمانی است که دو بار نقطهای داشته باشیم که فرمول آن در باکس فرمول ارائه شد. اما اگر بیش از دو بار وجود داشته باشد، انرژی کل برابر است با مجموع انرژیهای پتانسیل بین هر جفت بار. برای مثال، در یک سیستم سه باره، باید انرژی بین بار اول و دوم، بار اول و سوم و بار دوم و سوم را محاسبه و با هم جمع کنیم.
علامت انرژی پتانسیل الکتریکی بسیار مهم است. اگر انرژی مثبت باشد، نشاندهنده این است که بارها همنام هستند و برای نزدیک کردن آنها به هم کار انجام شده است. اگر انرژی منفی باشد، نشاندهنده بارهای ناهمنام است و برای دور کردن آنها از هم باید کار انجام شود. صفر بودن انرژی نیز به این معنی است که فاصله بین بارها بینهایت زیاد است (یعنی برهمکنشی ندارند).
انرژی پتانسیل در خازنها: یک کاربرد عملی
یکی از ملموسترین کاربردهای انرژی پتانسیل الکتریکی، خازن۵ است. خازن یک وسیله الکتریکی است که میتواند بار و در نتیجه انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند. یک خازن ساده از دو صفحه فلزی موازی تشکیل شده که توسط یک عایق از هم جدا شدهاند. وقتی خازن را به یک باتری وصل میکنیم، بارها روی صفحات آن جمع میشوند. این بارهای جمعشده دارای انرژی پتانسیل الکتریکی هستند.
وقتی خازن را از باتری جدا کرده و به یک لامپ وصل میکنیم، این انرژی ذخیرهشده آزاد میگردد و میتواند برای روشن کردن موقت لامپ مورد استفاده قرار گیرد. این اصل در فلاش دوربینهای عکاسی یا در مدارهای الکترونیکی که به یک منبع انرژی سریع و کوتاه نیاز دارند، استفاده میشود. انرژی ذخیرهشده در یک خازن از رابطه زیر به دست میآید:
که در آن $ C $ ظرفیت خازن و $ V $ ولتاژ دو سر آن است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. انرژی پتانسیل الکتریکی یک ویژگی سیستم بارها است، نه یک بار منفرد. ما در مورد انرژی پتانسیل "بین" دو یا چند بار صحبت میکنیم. این انرژی به پیکربندی کل سیستم بستگی دارد.
پاسخ: این دو مفهوم اغلب با هم اشتباه میشوند. انرژی پتانسیل الکتریکی ($ U $) انرژی کل ذخیرهشده در یک سیستم از بارها است و واحد آن ژول ($ J $) است. اما پتانسیل الکتریکی۶ ($ V $) به ازای هر واحد بار است (یعنی $ V = U/q $) و واحد آن ولت ($ V $) میباشد. پتانسیل الکتریکی یک ویژگی نقطهای در فضا است، فارغ از اینکه باری در آن نقطه وجود داشته باشد یا نه.
پاسخ: انرژی پتانسیل منفی نشان میدهد که بارها ناهمنام هستند و یک سیستم پایدار تشکیل دادهاند. برای جدا کردن آنها و رساندن انرژی به صفر (در بینهایت)، باید کار انجام دهیم. این حالت شبیه به زمانی است که یک سنگ در ته چاه باشد؛ برای بیرون آوردن سنگ و رساندن آن به سطح زمین (جایی که انرژی پتانسیل گرانشی صفر در نظر گرفته میشود)، باید کار انجام دهید.
پاورقی
۱ Electric Potential Energy
۲ Potential Energy
۳ Electric Charge
۴ Work
۵ Capacitor
۶ Electric Potential
