אנרגיה פוטנציאלית חשמלית

אנרגיה פוטנציאלית חשמלית היא אנרגיה פוטנציאלית האצורה בשדה חשמלי, הנובעת מכוח לורנץ הפועל על מטען חשמלי בשדה אלקטרומגנטי. ביחידות SI, אנרגיה פוטנציאלית חשמלית נמדדת בג'אול. האנרגיה החשמלית נובעת מהימצאותו של מטען חשמלי בתוך שדה חשמלי. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של חלקיק q המצוי בפוטנציאל חשמלי   V ( r ) {\displaystyle \ V(r)} שווה למכפלה   q V ( r ) {\displaystyle \ qV(r)} . העבודה הנדרשת להעברת מטען זה דרך הפרש פוטנציאלים נתונה על ידי המשוואה הבאה: W a b = q V a b = q ( V a − V b ) {\displaystyle W_{ab}=qV_{ab}=q(V_{a}-V_{b})\,} האנרגיה הפוטנציאלית בין שני מטענים שווה לאנרגיה הפוטנציאלית של אחד המטענים בהשפעת השדה החשמלי שיוצר חשמל של המטען השני. כלומר, אם מטען q 1 {\displaystyle q_{1}} יוצר בנקודה r 2 {\displaystyle r_{2}} בה מונח מטען q 2 {\displaystyle q_{2}} פוטנציאל חשמלי V r 2 {\displaystyle V_{r_{2}}} , אז האנרגיה הפוטנציאלית האצורה תהיה: U = q 2 V r 2 {\displaystyle U=q_{2}V_{r_{2}}} . ניתן היה לחשב את האנרגיה גם על פי הפוטנציאל בנקודה r 1 {\displaystyle r_{1}} , ולכן ברור שמתקיים: U = q 1 V r 1 = q 2 V r 2 = 1 2 ( q 1 V r 1 + q 2 V r 2 ) {\displaystyle U=q_{1}V_{r_{1}}=q_{2}V_{r_{2}}={\frac {1}{2}}(q_{1}V_{r_{1}}+q_{2}V_{r_{2}})} ביטוי זה ניתן להכללה עבור קבוצה של N {\displaystyle N} מטענים q i {\displaystyle q_{i}} הממוקמים בנקודות r i {\displaystyle r_{i}} , כאשר בכל אחת מנקודות אלו יש פוטנציאל של V r i {\displaystyle V_{r_{i}}} שנוצר בהשפעת כל המטענים פרט למטען הנמצא בנקודה r i {\displaystyle r_{i}} . הביטוי עבור המקרה הכללי הוא: U = 1 2 ∑ i = 1 N q i V r i {\displaystyle U={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{N}q_{i}V_{r_{i}}} הערה: ההכפלה בחצי נועדה לפצות על ספירה כפולה של ההשפעה ההדדית בין כל שני מטענים. ניתן להכליל שוב את הביטוי מהסעיף הקודם כדי לקבל ביטוי עבור האנרגיה הפוטנציאלית של פילוג מטען שאינו מורכב בהכרח מאוסף מטענים נקודתיים אלא מפוזר על פני מרחב: U = ∭ V 1 2 ρ φ   d V {\displaystyle U=\iiint _{V}{\frac {1}{2}}\rho \varphi \ dV} כאשר: u {\displaystyle u} היא צפיפות האנרגיה הנפחית. ρ {\displaystyle \rho } היא צפיפות המטען הנפחית. φ {\displaystyle \varphi } הוא הפוטנציאל החשמלי. d V {\displaystyle dV} היא יחידת נפח אינפיניטסימלית. הצפיפות במקום ללא מטען היא 0, כך שלרוב צריך לבצע אינטגרציה על התחום בו הגוף הטעון נמצא בלבד משום שהאינטגרל מתאפס בשאר המרחב. ניתן להשתמש במשוואה של האנרגיה הפוטנציאלית האצורה בפילוג מטען מרחבי ולהביאה למונחים של השדה החשמלי. על פי חוק גאוס (בצורתו הדיפרנציאלית): ∇ ⋅ E → = ρ ε r ε 0 {\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot {\vec {E}}={\frac {\rho }{\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}}}} כאשר: ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}} הוא המקדם הדיאלקטרי היחסי של התווך. ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק. E → {\displaystyle {\vec {E}}} הוא וקטור השדה החשמלי. לכן מתקיים: U = ∭ V u   d V = 1 2 ∭ V ρ φ   d V = 1 2 ∭ V ε r ε 0 ( ∇ ⋅ E → ) φ   d V {\displaystyle U=\iiint _{V}u\ dV={\frac {1}{2}}\iiint _{V}\rho \varphi \ dV={\frac {1}{2}}\iiint _{V}\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}(\mathbf {\nabla } \cdot {\vec {E}})\varphi \ dV} על פי חוקי אנליזה וקטורית: ∇ ⋅ ( E → φ ) = ( ∇ φ ) E → + φ ( ∇ ⋅ E → ) {\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot ({\vec {E}}\varphi )=(\mathbf {\nabla } \varphi ){\vec {E}}+\varphi (\mathbf {\nabla } \cdot {\vec {E}})} ולכן: U = ε r ε 0 2 ∭ V ∇ ⋅ ( E → φ ) d V − ε r ε 0 2 ∭ V ( ∇ φ ) E → d V {\displaystyle U={\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}}{2}}\iiint _{V}\mathbf {\nabla } \cdot ({\vec {E}}\varphi )dV-{\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}}{2}}\iiint _{V}(\mathbf {\nabla } \varphi ){\vec {E}}dV} תוך שימוש במשפט גאוס (משפט הדיברגנץ), קביעה שהפוטנציאל החשמלי באינסוף מתאפס ואינטגרל על כל המרחב ( V = all space {\displaystyle V={\text{all space}}} ): U = ε r ε 0 2 {\displaystyle U={\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}}{2}}} ∂ V {\displaystyle {_{\partial V}}} φ E → ⋅ d A → {\displaystyle \varphi {\vec {E}}\cdot d{\vec {A}}}   − ε r ε 0 2 ∭ V ( − E → ) ⋅ E → d V = ∭ V 1 2 ε r ε 0 E 2 d V {\displaystyle \ -{\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}}{2}}\iiint _{V}(-{\vec {E}})\cdot {\vec {E}}dV=\iiint _{V}{\frac {1}{2}}\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}E^{2}dV} כלומר אנרגיית כלל המערכת האצורה בשדה החשמלי היא: U = ∭ all space 1 2 ε r ε 0 E 2   d V {\displaystyle U=\iiint _{\text{all space}}{\frac {1}{2}}\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}E^{2}\ dV} מנוסחה זאת ניתן להגדיר צפיפות אנרגיה נפחית לאנרגיית המערכת, כלומר: u = 1 2 ε r ε 0 E 2 {\displaystyle u={\frac {1}{2}}\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}E^{2}} אמנם ניתן להגדיר צפיפות אנרגיה גם באמצעות פילוג מטען מרחבי (ראו לעיל), אבל משיקולי נוחות ותאימות לתופעות מתחום האלקטרודינמיקה, מקובל להשתמש בנוסחה זו. אנרגיה אנרגיה פוטנציאלית מדיה וקבצים בנושא אנרגיה פוטנציאלית חשמלית בוויקישיתוף