[전기 기초] 퍼텐셜 에너지 (Potential Energy)

퍼텐셜 에너지는 위치(position), 합성(composition), 배열(arrangement)에 의한 에너지입니다. 즉, 두 물체(object) 간의 밀거나 당기는 힘과 연관된 에너지입니다. 정지위치에서 들어 올려진 어느 물체는 에너지를 저장하고 있으며, 들어 올려진 물체를 놓게 되면 일을 할 수 있는 퍼텐셜(가능성, 잠재력)이 있다고 해서 퍼텐셜 에너지라고 합니다.

퍼텐셜 에너지의 한 예로, 중력 퍼텐셜 에너지를 보겠습니다.

$PE=Fx$

$F$는 힘이고 $x$는 움직인 거리입니다. 지표면에서 위로 떨어진 물체의 중력 퍼텐셜 에너지는 다음과 같습니다.

$PE=mgh$

$m$은 킬로그램 단위의 물체의 질량입니다. $g$는 중력에 의한 중력가속도이며, $9.8m/s^2$입니다. $h$는 지표면에서 물체가 떨어져 있는 거리는 의미하며 미터단위입니다.

만약, 15g의 물체가 2m 높이에 있을 때 퍼텐셜 에너지는 어떻게 될까요?

$PE=(0.015kg)(9.8m/s^2)(2m)=0.294J$

이제 전기쪽으로 눈을 돌려 보겠습니다. 대전(charged)된 두 입자가 떨어져 있을 때 퍼텐셜 에너지는 다음과 같습니다.

$r$은 거리, $q_1,q_2$는 전하, ${ϵ}_0=8.85\times {10}^{-12}{C}^2/Jm$입니다.

위 식에서 두 전하 $q_1,q_2$가 같은 극이면, $E$는 +기호를 가지게 되고, $r$이 증가 할수록 감소합니다. 즉 같은 극성의 두 전하는 가까워질수록 (밀어내는) 퍼텐셜 에너지가 더욱 커지게 됩니다. 만약 두 전하가 다른 극이면, $E$는 -기호를 가지게 되며, $r$이 작아질수록 (당기는) 퍼텐셜 에너지가 더욱 커집니다.

예를 들어, 1m 떨어진 $3\times {10}^{-6}C$의 전하와 $3.9\times {10}^{-6}C$의 전하 사이의 퍼텐셜 에너지는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

$E$가 +이므로 밀어내는 퍼텐셜 에너지입니다.

끝.