Energia potenziale elettrica
Che cos'è l'energia potenziale elettrica?
Vuoi sapere che cos'è l'energia potenziale elettrica?
Vuoi sapere cosa rappresenta l'energia potenziale elettrica?
Se si continua con la lettura dell'articolo. In questa pagina del sito vedremo infatti che cos'è l'energia potenziale elettrica, cosa rappresenta, come si calcola e qual è la sua unità di misura.
Come già noto la forza gravitazionale e la forza elettrica possiedono molte analogie tra di loro.
Prima di tutto la forma in cui esse sono espresse è praticamente la stessa (direttamente proporzionali al prodotto delle masse o delle cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza, proporzionali ad una costante).
Inoltre le due forze sono entrambe conservative, così come i campi da cui esse discendono.
Questo vuol dire che il lavoro svolto da tali campi per spostare una carica elettrica tra due punti dello spazio non dipende dal percorso seguito ma soltanto dalla posizione finale e da quella iniziale.
Energia potenziale elettrica
A causa di questa proprietà di conservatività, anche per la forza elettrica, così come già stato fatto per quella gravitazionale, è possibile introdurre una grandezza scalare detta energia potenziale elettrica. Un campo conservativo ammette sempre un'energia potenziale.
Definizione di energia potenziale elettrica
Si definisce energia potenziale elettrica di un sistema di due cariche poste a distanza d tra di loro il lavoro eseguito dalla forza elettrica quando le due cariche sono portate ad una distanza infinita tra di loro.
In sostanza corrisponde all'energia che una carica possiede per il solo fatto di trovarsi all'interno di un campo elettrico ad una certa distanza d dalla carica sorgente ed indica l'energia cinetica potenziale che la carica può esprimere se lasciata libera di muoversi.
L'espessione dell'energia potenziale elettrica
Consideriamo una carica Q fissa positiva che genere un campo elettrico nello spazio che può essere rappresentato da linee di campo radiali uscenti dalla carica stessa verso l'infinito.
Immaginiamo di porre una carica q anch'essa positiva all'interno di tale campo.
La carica q risentirà di una forza elettrica (repulsiva in questo caso) pari al prodotto del campo per la carica stessa:
F = E · q
Ipotizziamo adesso di lasciare libera di muoversi la carica sotto l'azione di tale forza che sposta la carica q da una posizione iniziale d1 dalla carica sorgente ad una posizione finale d2.
Il lavoro che la forza F compie in tale spostamento è uguale alla variazione di energia potenziale elettrica del sistema e ricordando che:
L = F ∙ d
Allora avremo:
Essendo:
L = - ΔU = Uiniziale - Ufinale
Possiamo concludere che l'energia potenziale elettrica U di un sistema di due cariche poste a distanza d è pari a:
L'energia potenziale elettrica è una grandezza scalare che si misura in J e può assumere valore negativo o positivo a seconda del segno delle cariche.
In particolare se le cariche sono concordi, cioè dello stesso segno, l'energia potenziale elettrica sarà positiva. Viceversa in caso di cariche discordi essa assumerà valore negativo.
Energia potenziale elettrica di un sistema di più cariche
Quando si hanno più di due cariche puntiformi, l'energia potenziale complessiva del sistema è data dalla somma algebrica delle energie potenziali calcolate per tutte le possibili coppie di cariche che si possono venire a formare.
Se ad esempio abbiamo quattro cariche puntiformi q1, q2, q3 e q4 l'energia potenziale complessiva del sistema sarà data da:
U = U12 + U13 + U14 + U23 + U24 + U34
(ovviamente U12 è uguale a U21 dunque va considerata solo una volta).
U rappresenta il lavoro totale compiuto dalle forze elettriche per disgregare il sistema cioè per portare le prime tre cariche all'infinito lasciando la quarta nella sua posizione iniziale trovandosi anch'essa, una volta separate dalle altre, a distanza infinita da esse.
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