Potentialenergie

Potentialenergie, oft als Potentialenergie U bezeichnet, ist die Energie, die aufgrund der Lage eines Systems im Feld einer Kraftmenge besitzt. Sie gehört zu den konservativen Energien und hängt ausschließlich von der Position im Kraftfeld ab. Da der Nullpunkt der Energie willkürlich gewählt werden kann, wird U üblicherweise relativ zu einem festgelegten Referenzpunkt angegeben.

Es gibt verschiedene Typen von Potentialenergie. Gravitationspotentialenergie U_g = m g h beschreibt die Lage eines Massenobjekts im Gravitationsfeld der Erde; elastische Potentialenergie U_el = 1/2 k x^2 beschreibt die Energiespeicherung in einer gespannten oder gestauchten Feder; elektrische Potentialenergie U_e = k q1 q2 / r oder U_e = qV beschreibt Energiespeicherung im elektrostatischen Feld. In der Chemie und Biochemie charakterisiert die chemische Potentialenergie die Energiewechselwirkungen in Molekülen und bei Reaktionen. In magnetischen Feldern kann ebenfalls Energie gespeichert sein, z. B. U = -m·B für einen magnetischen Dipol.

Beziehungen und Konzepte: Die Arbeit, die von einem Kraftfeld an einem Objekt verrichtet wird, ist W = -ΔU; das heißt, eine Zunahme der potenziellen Energie entspricht negativer Arbeit durch das Feld. In einem System mit nur konservativen Kräften bleibt die Gesamtenergie E = K + U konstant. Die Kraft lässt sich aus dem Potential ableiten: F = -∇U. Durch die Definition des Referenzpunkts ergibt sich, dass der konkrete numerische Wert von U vom gewählten Nullniveau abhängt, der physikalische Unterschied aber unverändert bleibt. Potentialenergie ist damit ein nützliches Konzept zur Beschreibung von Lageprozessen und zur Berechnung von Kräften und Bewegungen.