Сохраненные калькуляторы
Физика

Калькулятор электрической потенциальной энергии

Сообщить об ошибке

Поделиться калькулятором

Добавьте наш бесплатный калькулятор на ваш сайт

Пожалуйста, введите действительный URL. Поддерживаются только HTTPS.

Использовать как значения по умолчанию для встроенного калькулятора то, что сейчас в полях ввода калькулятора на странице.
Цвет фокуса рамки ввода, цвет проверенного флажка, цвет наведения на выбранные элементы и т.д.

Пожалуйста, согласитесь с Условиями использования.
Предварительный просмотр

Сохранить калькулятор

Электрическая потенциальная энергия

Электрическая потенциальная энергия — ключевая концепция в электромагнетизме, описывающая энергию, которую заряженная частица имеет благодаря своему положению в электрическом поле. Рассмотрим три различных способа расчета электрической потенциальной энергии, каждый из которых применим в разных условиях.

Три расчета электрической потенциальной энергии

1. Заряд в электрическом поле

Когда заряд находится в электрическом поле, электрическая потенциальная энергия (WpW_p) определяется как:

Wp=qVW_p = q \cdot V

Где:

  • WpW_p — электрическая потенциальная энергия,
  • qq — заряд,
  • VV — электрический потенциал в точке размещения заряда.

Эта формула применяется, когда известен электрический потенциал в конкретной точке и величина заряда.

Пример расчета

Рассмотрим заряд в 2 μC2 \ \mu C, находящийся в поле с электрическим потенциалом 5 V5\ V:

Wp=(2×106 Кл)5 В=1×105 ДжW_p = (2 \times 10^{-6}\ \text{Кл}) \cdot 5\ \text{В} = 1 \times 10^{-5}\ \text{Дж}

2. Перемещение заряда в электрическом поле

При перемещении заряда в однородном электрическом поле изменение потенциальной энергии задается формулой:

Wp=qEdW_p = q \cdot E \cdot d

Где:

  • EE — напряженность электрического поля,
  • dd — смещение заряда в направлении поля.

Пример расчета

Если заряд в 3 μC3\ \mu C перемещается на 0.1 m0.1\ m в поле с напряженностью 20 В/м20\ В/м:

Wp=(3×106 Кл)(20 В/м)0.1 м=6×107 ДжW_p = (3 \times 10^{-6}\ \text{Кл}) \cdot (20\ \text{В/м}) \cdot 0.1\ \text{м} = 6 \times 10^{-7}\ \text{Дж}

3. Взаимодействие двух точечных зарядов

Потенциальная энергия, связанная с взаимодействием двух точечных зарядов, вычисляется по формуле:

Wp=keq1q2rW_p = k_e \cdot \frac{q_1 \cdot q_2}{r}

Где:

  • WpW_p — потенциальная энергия взаимодействия,
  • q1q_1 и q2q_2 — величины зарядов,
  • rr — расстояние между зарядами,
  • kek_e — постоянная Кулона (8.9875×109 Н м2/Кл2)(8.9875 \times 10^9\ \text{Н м}^2/\text{Кл}^2).

Пример расчета

Для двух зарядов q1=1 μCq_1 = 1\ \mu C и q2=2 μCq_2 = 2\ \mu C, находящихся на расстоянии 0.05 м0.05\ м:

Wp=(8.9875×109) ×(1×106)×(2×106)0.05=0.3595 ДжW_p = \frac{(8.9875 \times 10^9)\ \times (1 \times 10^{-6}) \times (2 \times 10^{-6})}{0.05} = 0.3595\ \text{Дж}

Примеры и применения

Давайте рассмотрим несколько интересных примеров, чтобы проиллюстрировать расчёт электрической потенциальной энергии в практических сценариях.

Пример 1: Протон в конденсаторе с параллельными пластинами

Рассмотрим протон с зарядом 1.602×10191.602 \times 10^{-19} Кл, помещённый в конденсатор с параллельными пластинами. На пластинах конденсатора имеется напряжение 12 В.

Используем формулу:

Wp=qV=(1.602×1019 Кл)12 В=1.9224×1018 ДжW_p = q \cdot V = (1.602 \times 10^{-19}\ \text{Кл}) \cdot 12\ \text{В} = 1.9224 \times 10^{-18}\ \text{Дж}

Эта энергия представляет работу, необходимую для перемещения протона через конденсатор и имеет значение в понимании таких операций, как ускорение частиц, и в применениях, таких как катодно-лучевые трубки и масс-спектрометры.

Пример 2: Движение электрона в цепи

Электрон, с зарядом 1.602×1019-1.602 \times 10^{-19} Кл, перемещается через разность потенциалов в 45 вольт (например, в экране телевизора или осциллографе).

Wp=qV=(1.602×1019 Кл)45 В=7.209×1018 ДжW_p = q \cdot V = (-1.602 \times 10^{-19}\ \text{Кл}) \cdot 45\ \text{В} = -7.209 \times 10^{-18}\ \text{Дж}

Отрицательный знак указывает на то, что направление движения электрона противоречит направлению электрического поля, что является фундаментальным принципом, лежащим в основе протекания тока в электронике.

Пример 3: Водная молекула, воздействующая на ион

Водная молекула, имеющая индуцированный заряд из-за отрицательного заряда иона, испытывает эти сложные взаимодействия в биохимических контекстах. Определите потенциальную энергию, если молекула находится рядом с зарядом величиной 2×1019 Кл2 \times 10^{-19}\ \text{Кл} и подвергается воздействию силы поля 1000 В/м1000\ \text{В/м} на расстоянии 0.2 м0.2\ \text{м}.

Wp=qEd=(2×1019 Кл)(1000 В/м)0.2 м=4×1020 ДжW_p = q \cdot E \cdot d = (2 \times 10^{-19}\ \text{Кл}) \cdot (1000\ \text{В/м}) \cdot 0.2\ \text{м} = 4 \times 10^{-20}\ \text{Дж}

Этот расчёт важен в изучении химического связывания и энергетики реакций.

Значимость в современной технологии

Электрическая потенциальная энергия играет решающую роль в различных современных технологиях. Она является основой в проектировании электрических цепей, обеспечивая работу батарей и конденсаторов. Кроме того, она лежит в основе принципов генерации и распределения электроэнергии. Устройства, такие как смартфоны, компьютеры и электромобили, зависят от эффективного управления и преобразования электрической потенциальной энергии.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать электрическую потенциальную энергию для заряда в поле 10 В/м?

С учетом напряженности поля (E=10 В/мE = 10\ \text{В/м}), заряда (q=5 μКл=5×106 Клq = 5\ \mu\text{Кл} = 5 \times 10^{-6}\ \text{Кл}) и расстояния (d=2 мd = 2\ \text{м}), рассчитайте:

Wp=qEd=(5×106)(10)2=1×104 ДжW_p = q \cdot E \cdot d = (5 \times 10^{-6}) \cdot (10) \cdot 2 = 1 \times 10^{-4}\ \text{Дж}

Почему электрическая потенциальная энергия важна в электрических системах?

Она представляет собой запасенную энергию, которую можно преобразовать в кинетическую энергию или работу, важную для понимания схем и электрических устройств.

В чем разница между электростатической и электрической потенциальной энергией?

Электростатическая потенциальная энергия связана с взаимодействиями между несколькими заряженными частицами; электрическая потенциальная энергия относится к энергии одного заряда внутри поля.

Сколько джоулей энергии требуется для перемещения электрона через разность потенциалов 100 В?

С учетом заряда электрона (1.602×1019-1.602 \times 10^{-19} Кл) рассчитайте:

Wp=qV=(1.602×1019)(100)=1.602×1017 ДжW_p = q \cdot V = (-1.602 \times 10^{-19}) \cdot (100) = -1.602 \times 10^{-17}\ \text{Дж}

Какую роль играет электрическая потенциальная энергия в электрогенераторах?

Она позволяет преобразовывать механическую энергию в электрическую кинетическую энергию, обеспечивая работу систем в различных отраслях и домах.