Potenzielle Energie ist die gespeicherte oder aufgestaute Energie eines Objekts. Sie wird oft der kinetischen Energie gegenübergestellt.
In der Physik ist potentielle Energie die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Kraftfeld oder ein System aufgrund der Anordnung seiner Teile hat. Gängige Arten sind die potenzielle Gravitationsenergie eines Objekts, die von seiner vertikalen Position und Masse abhängt, die elastische potenzielle Energie einer gedehnten Feder und die elektrische potenzielle Energie einer Ladung in einem elektrischen Feld. Die SI-Einheit für Energie ist das Joule (Symbol J).
Potenzielle Energie wird oft mit Rückstellkräften wie einer Feder oder der Schwerkraft in Verbindung gebracht. Die Dehnung der Feder oder das Anheben der Masse wird durch eine äußere Kraft bewirkt, die gegen das Kraftfeld des Potentials arbeitet. Diese Arbeit wird im Kraftfeld gespeichert, was als potenzielle Energie bezeichnet wird. Wird die äußere Kraft entfernt, 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 zu Fall gebracht wird. In diesem Fall wandelt sich die potenzielle Energie in kinetische Energie um. Die Gesamtenergie bleibt aufgrund des Energieerhaltungssatzes gleich.
Physiker sagen, dass die potenzielle Energie die Differenz zwischen der Energie eines Objekts in einer bestimmten Position und seiner Energie in einer Referenzposition ist.
Einfache Beispiele
Wenn man einen Stein bergauf trägt, erhöht sich seine potenzielle Energie unter der Schwerkraft. Das Dehnen eines Gummibandes erhöht seine elastische potentielle Energie, die eine Form der elektrischen potentiellen Energie ist. Ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel hat eine chemische potentielle Energie, die eine andere Form der elektrischen potentiellen Energie ist. Auch Batterien haben chemische potenzielle Energie.
Arten potenzieller Energie
Es gibt verschiedene Arten potenzieller Energie, die jeweils mit einer bestimmten Art von Kraft verbunden sind.
Potenzielle Gravitationsenergie
Die potenzielle Gravitationsenergie wird von einem Objekt erfahren, wenn Höhe und Masse ein Faktor im System sind. Die potenzielle Gravitationsenergie bewirkt, dass sich Objekte aufeinander zu bewegen. Wenn ein Objekt in einem bestimmten Abstand von der Erdoberfläche angehoben wird, wird die Kraft, die es erfährt, durch das Gewicht und die Höhe verursacht.
Elektrische potentielle Energie
Elektrische potentielle Energie erfahren Ladungen, die sowohl unterschiedlich als auch gleich sind, da sie sich gegenseitig abstoßen oder anziehen. Ladungen können entweder positiv (+) oder negativ (-) sein, wobei sich entgegengesetzte Ladungen anziehen und gleichartige Ladungen abstoßen. Wenn zwei Ladungen in einem bestimmten Abstand zueinander platziert werden, kann die zwischen den Ladungen gespeicherte potenzielle Energie wie folgt berechnet werden:
Elastische potenzielle Energie
Elastische potenzielle Energie tritt auf, wenn ein gummiartiges Material weggezogen oder zusammengeschoben wird. Eine Feder zum Beispiel speichert elastische potentielle Energie. Wie viel potentielle Energie das Material hat, hängt von der Strecke ab, die gezogen oder geschoben wird. Je länger die geschobene Strecke ist, desto größer ist die elastische potenzielle Energie des Materials. Wenn ein Material gezogen oder geschoben wird, kann die potentielle Energie berechnet werden durch:
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