מה ההבדל בין מתח לאנרגיה פוטנציאלית בפיזיקה

בפיזיקה, יש להבדיל בין מתח ואנרגיה פוטנציאלית באופן הבא:

I. מושג

מתח

מתח, הידוע גם כהפרש פוטנציאל או הפרש פוטנציאל, הוא גודל פיזיקלי המודד את ההבדל באנרגיה הנוצר על ידי מטען יחידה בשדה אלקטרוסטטי עקב ההבדלים בין הפוטנציאלים החשמליים.

לדוגמה, במעגל פשוט, יש מתח משני צידי הסוללה, מה שגורם למטען לזרום במעגל. אם תזיז מטען חיובי יחידה מנקודה אחת לאחרת, המתח הוא האנרגיה שנרכשת או שאבדה למטען היחיד בין שתי הנקודות.

אנרגיה פוטנציאלית

אנרגיה פוטנציאלית היא האנרגיה המאוחסנת במערכת, או אנרגיה המופיעה בהתאם למיקומים היחסיים של עצמים.

לדוגמה, משקולת המונחת גבוה יש לה אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, ומגמתה תלויה במסת המשקולת, הגובה והתאוצה הכובדית. ככל שהמשקולת נופלת, האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית מתמירה בהדרגה לאנרגיה קינטית.

שני, הטבע והמאפיינים

מאפייני מתח

• יחסיות: המתח הוא יחסי וגודלו תלוי בנקודת התייחסות שנבחרה. לדוגמה, במעגל, ניתן לבחור כל נקודה כנקודת התייחסות, והמתח בנקודות אחרות הוא ההפרש הפוטנציאלי ביחס לנקודת התייחסות זו.

• קשורה לתנועת מטען: מתח הוא גודל פיזיקלי המתאר את היכולת של שדה חשמלי לבצע עבודה על מטען חשמלי. כאשר קיים מתח, המטען יזוז מהנקודה בעלת הפוטנציאל הגבוה אל הנקודה בעלת הפוטנציאל הנמוך תחת השפעת כוח השדה החשמלי, כדי להשיג את המרת האנרגיה.

• יחידת מידה: במערכת הבינלאומית של יחידות, מתח נמדד בוולט (V).

מאפייני אנרגיה פוטנציאלית

• צורות שונות: אנרגיה פוטנציאלית יכולה להיות בצורות שונות, כגון אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, אנרגיה פוטנציאלית אלסטית, אנרגיה פוטנציאלית חשמלית וכדומה. הצורות השונות של אנרגיה פוטנציאלית תלויות במערכות פיזיות שונות ותהליכים התואמים להם.

• שימור: אנרגיה פוטנציאלית היא סוג של אנרגיה בשדה כוח משמר, שבו שינוי האנרגיה הפוטנציאלית כאשר גוף זז ממקום למקום תלוי רק במיקומי ההתחלה והסיום, ולא במסלול.

• יחידת מידה: יחידת המידה של אנרגיה פוטנציאלית תלויה בצורת האנרגיה הפוטנציאלית הספציפית. לדוגמה, אנרגיה פוטנציאלית כבידתית נמדדת בג'ול (J), אותו יחידת מידה כמו אנרגיה.

3. תחומי שימוש

שימוש במתח

• ניתוח מעגל: במעגל, המתח הוא בסיס חשוב לנתח את זרימת הזרם, ההתנגדות, העוצמה ועוד פרמטרים. באמצעות מדידת והערכה של המתח בין נקודות שונות, ניתן לקבוע את כיוון הגודל של הזרם במעגל ואת מצב העבודה של רכיבי המעגל.

• העברת עוצמה: במערכת החשמל, מתח גבוה מאפשר העברת עוצמה למרחקים ארוכים עם אובדן נמוך. על ידי הגבהה של המתח באמצעות טרנספורטר, ניתן להפחית את הזרם, ובכך להפחית את אובדן העוצמה על הקו.

• מכשירים אלקטרוניים: כלים אלקטרוניים שונים, כגון טלפונים ניידים, מחשבים, טלוויזיות ועוד, דורשים מתחים ספציפיים כדי לעבוד. לרכיבים אלקטרוניים שונים ומודולי מעגל יש דרישות שונות ממתח וצריכים לספק מתח יציב דרך מערכת ניהול כוח.

שימוש באנרגיה פוטנציאלית

• הנדסת מכונות: במערכות מכניות, המרה של אנרגיה פוטנציאלית כבידתית ואנרגיה פוטנציאלית אלסטית היא בשימוש נרחב בכלים מכניים שונים. לדוגמה, מקלחות קפיצות משתמשות באנרגיה פוטנציאלית אלסטית של הקפיצים כדי לספוג ולשחרר אנרגיה ולהפחית רעידות; תחנת כוח הידרואלקטרית משתמשת באנרגיה פוטנציאלית כבידתית של המים כדי להמיר אותה לחשמל.

• אסטרופיזיקה: באסטרופיזיקה, מושג האנרגיה הפוטנציאלית משמש כדי ללמוד על תנועת גופים שמימיים והאינטרקציה ביניהם. לדוגמה, תנועת כוכב לכת סביב השמש יכולה להיחשב כתמורה הדדית בין אנרגיה פוטנציאלית כבידתית לאנרגיה קינטית.

• אחסון אנרגיה: אנרגיה פוטנציאלית יכולה לשמש כצורה של אחסון אנרגיה. לדוגמה, תחנות כוח פומפינג משתמשות באנרגיה פוטנציאלית כבידתית של המים לאחסון אנרגיה, משחררים את המים כשזה נדרש ומפיקים חשמל באמצעות טורבינה.