potensiell energi

Når et legeme blir hevet i jordas tyngdefelt, øker legemets potensielle energi. Den potensielle energien er proporsjonal med legemets masse og øker med høyden over bakken. For eksempel vil en kule på to kilo ha dobbelt så stor potensiell energi som en kule på én kilo når de befinner seg i samme høyde over bakken.

Et eksempel på gravitasjonell potensiell energi er svingende pendel. Her er det en kontinuerlig veksling mellom potensiell og kinetisk energi. Den potensielle energien pendelen har når den befinner seg i ett av ytterpunktene, blir omgjort til kinetisk energi etter hvert som pendelen beveger seg nedover, og den kinetiske energien blir omgjort til potensiell energi når pendelen beveger seg oppover.

Nær jordas overflate (opp til noen kilometers høyde) kan den potensielle energien, E_p, beskrives med formelen \(E_p = mgh\), der m er massen til objektet, g er den gravitasjonelle akselerasjonen (cirka 9,81 m/s^²), og h er høyden. Formelen forteller oss at dobbelt så stor høyde gir dobbelt så stor potensiell energi.

Hvis vi ser på objekter som er mer enn noen kilometer over bakken, må vi ta hensyn til at g ikke er konstant, men avtar med høyden, og den enkle formelen over vil da ikke lenger kunne brukes.

I beregninger med potensiell energi må man bestemme seg for hva man måler den potensielle energien i forhold til, og deretter holde seg til det valget gjennom hele beregningen. Holder man en kule i ro over et bord, kan man velge om man vil sette nullpunktet til høyden i posisjonen man holder kula i, ved bordplata, ved gulvet under bordet eller et annet sted. Når man ser på større avstander, for eksempel bevegelsene til himmellegemer, er det vanlig å definere nullnivået i gravitasjonsfeltet til et legeme uendelig langt fra legemet. Da vil partikler i endelig avstand fra legemet ha negativ potensiell energi. For eksempel har Jorda negativ potensiell energi i Solas gravitasjonsfelt.

I norsk energiforsyning utgjør landets mange vannmagasiner et betydelig energilager i form av potensiell energi. Lagret energi er proporsjonal med volumet av magasinet og høyden over havet. Vannets potensielle energi kan omgjøres til elektrisk energi ved å la vannet renne ned til et lavere nivå, der energiomformingen skjer i en vannturbin som er koplet til en generator.

I elastiske legemer kan det lagres potensiell energi ved å deformere legemet så det ikke lenger er i sin likevektstilstand. For eksempel kan energi lagres i en spent fjær eller bue. Når buen er spent, lagrer den energien som ble brukt for å spenne buen. Denne energien kan frigjøres ved å slippe buestrengen. Da omformes buens potensielle energi til pilens kinetiske energi.

Et eksempel på bruk av elastisk potensiell energi er en katapult som kan kaste prosjektiler flere hundre meter av gårde. Spennet i katapulten utgjør en potensiell energi som blir omgjort til kinetisk energi i prosjektilet når katapulten utløses. Et annet eksempel er løpesko med elastisk skum i sålen. Når løperen setter foten i bakken, presses skummet sammen og får elastisk potensiell energi som gir løperen fart i det neste steget.

Et objekt har potensiell energi på grunn av sin elektriske ladning når det befinner seg i et elektrisk felt. Elektroner som har negativ ladning, får økt potensiell energi når de beveger seg med feltretningen, mens protoner med positiv ladning får økt potensiell energi ved bevegelse mot feltretningen. I en varmetråd som leder elektrisk strøm, er det et elektrisk felt, og elektroner beveger seg mot feltretningen og taper potensiell energi. Den tapte potensielle energien kan gjøres om til varme.

Det virker krefter mellom magneter; like magnetiske poler frastøter hverandre, mens ulike magnetiske poler tiltrekker hverandre. Dersom to stavmagneter er klemt sammen med like poler mot hverandre, har magnetene potensiell energi som frigjøres når de magnetiske kreftene dytter de to magnetene fra hverandre.

Kjemisk energi kan ses på som en form for potensiell energi der energien utgjøres av bindinger mellom atomer i molekyler og i kjemiske forbindelser. For å bryte bindingene mellom atomene kreves det energi som blir frigjort når bindingene dannes. For eksempel kreves det energi for å splitte vann (H₂O) til hydrogengass og oksygengass. Denne energien frigis når reaksjonen går motsatt vei og det igjen dannes vann.

De kjemiske forbindelsene i bensin har kjemisk potensiell energi som frigjøres når bensinen forbrennes. Da brukes det først energi for å splitte de kjemiske forbindelsene i bensinen, men man vinner mer energi når det dannes nye kjemiske forbindelser i form av karbondioksid og vann. Mat har kjemisk potensiell energi som frigjøres i fordøyelsen.

Partiklene i en atomkjerne holdes sammen av de sterke kjernekreftene som motvirker de frastøtende elektriske kreftene mellom protonene. I en kjernereaktor eller atombombe frigjøres potensiell energi fra atomkjernene.

I tillegg bidrar de svake kjernekreftene til potensiell energi som utløses i beta-henfall, som er en type radioaktiv stråling der elektroner sendes ut fra atomkjerner ved at nøytroner i kjernen først spaltes opp i elektroner, positroner og nøytrinoer på grunn av den svake kjernekraften.

I Solas kjerne frigjøres det nukleær potensiell energi når hydrogenatomer fusjonerer til heliumatomer.