電荷與電場
電位能(electric potential energy)
電位能是一組電荷因其位置而儲存的能量,就像被舉高的石頭因其高度而儲存重力位能一樣。把兩個同號電荷頂著斥力推到一起,你就在它們裡面儲存了能量,像壓縮彈簧一樣;一放手,這能量就在它們飛散開來時釋放出來。
對相距 r 的兩個點電荷 q1 與 q2,電位能為 U = k q1 q2 / r,其中 k 是庫侖常數,U 以焦耳(J)為單位。符號帶有意義:對同號電荷(皆正或皆負)U 為正,且隨著靠近而增大,因為你必須做功才能把它們推到一起。對異號電荷 U 為負,表示得供給能量才能把它們拉開。U 的零點選在相距無窮遠處。
位能之所以重要,是因為電力是保守力,能量因此能在位能與動能之間乾淨地轉換。當一個質子從另一個質子旁飛離時,它的位能下降,動能上升相同的量,使總量保持不變。這套帳目驅動了一切,從原子物理中使用的電子伏特,到帶電電容器所儲存的能量。
兩個質子(各 +e)相距 1 奈米(10^-9 m)時儲存 U =(8.99 x 10^9)(1.6 x 10^-19)^2 /(10^-9)= 約 2.3 x 10^-19 J;一放開,它們互相排斥時就把這能量轉為動能。
同號電荷儲存正的位能,一旦釋放就轉化為運動。
只有位能的差值具有物理意義;零點的選取(這裡取相距無窮遠)是一種約定。你所量到的永遠是 U 的變化,它以功或動能的形式顯現。
又稱
另見