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公式

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結果

電気位置エネルギー
0.03595
ジュール(J)
クーロン定数 k 8,987,551,787 N·m²/C²
補足 U が正=反発(同符号の電荷)、U が負=引力(異符号の電荷)

電気位置エネルギーとは?

電気位置エネルギーとは、2つの荷電粒子が静電的に相互作用することで系に蓄えられるエネルギーのことです。距離 \(r\) だけ離れた2つの点電荷 \(Q_1\) と \(Q_2\) について、位置エネルギーは $$U = k\frac{Q_1 Q_2}{r}$$ で表されます。ここで \(k\) はクーロン定数(およそ \(8.988 \times 10^9 \ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2\))です。この関係式は普遍的に成り立ち、単位は国際単位系(SI)を用います。電荷はクーロン(C)、距離はメートル(m)、エネルギーはジュール(J)です。

距離rだけ離れた2つの点電荷とその間の電気力線
電気的位置エネルギーは、2つの電荷とそれらの間の距離rによって決まります。

この計算機の使い方

2つの電荷 \(Q_1\)・\(Q_2\) をクーロン(C)で、距離 \(r\) をメートル(m)で入力してください。計算機は2つの電荷とクーロン定数を掛け合わせ、距離で割って結果を求めます。必要に応じて指数表記を使いましょう(たとえば1マイクロクーロンは \(0.000001 \ \text{C}\))。結果が正のときは電荷どうしが反発(同符号)し、負のときは引き合う(異符号)ことを意味します。

公式のしくみ

それぞれの電荷の符号が重要です。両方が正、または両方が負であれば \(Q_1 \cdot Q_2\) は正となり、位置エネルギーは正になります。これは電荷どうしを近づけるためにエネルギーを与える必要があることを示します。一方、符号が異なる場合は積が負となり、系のエネルギーは低く(負に)なります。これは引力を反映したものです。電荷が無限遠まで離れるとエネルギーは0に近づき、これが基準点(ゼロ点)となります。

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異符号の電荷間の引力と同符号の電荷間の反発力を示す図
同符号の電荷は正のエネルギー(反発)、異符号の電荷は負のエネルギー(引力)になります。

計算例

\(Q_1 = 1 \ \mu\text{C} = 1 \times 10^{-6} \ \text{C}\)、\(Q_2 = 2 \ \mu\text{C} = 2 \times 10^{-6} \ \text{C}\)、\(r = 0.5 \ \text{m}\) とします。このとき $$U = \frac{8.988 \times 10^9 \times 1 \times 10^{-6} \times 2 \times 10^{-6}}{0.5} = \frac{8.988 \times 10^9 \times 2 \times 10^{-12}}{0.5} = \frac{0.017975}{0.5} = 0.03595 \ \text{J}$$ となります。両方の電荷が正なので、エネルギーは正の値になり、この配置は反発(斥力)であることがわかります。

よくある質問

結果が負になるのはどういう意味ですか? 位置エネルギーが負の場合、電荷どうしが引き合っていることを示します。電荷が近づくにつれてエネルギーが放出されます。

これは電位(電圧)と同じものですか? いいえ、違います。電位 \(V = k\frac{Q}{r}\) は単位電荷あたりのエネルギー(ボルト)ですが、この計算機が返すのは電荷の組全体がもつエネルギーの総量(ジュール)です。

\(r = 0\) を入力するとどうなりますか? 距離は0より大きい値でなければなりません。距離が0だと公式は発散してしまうため、ゼロ除算を避けるために計算機は0を返します。

最終更新: