什麼是電位能?
電位能(electric potential energy)是兩個帶電粒子因靜電交互作用而儲存在系統中的能量。對於相距 \(r\) 的兩個點電荷 \(Q_1\) 與 \(Q_2\),其位能可由公式 \(U = kQ_1Q_2/r\) 計算,其中 \(k\) 為庫侖常數(約 \(8.988 \times 10^9\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2\))。這個關係式具有普遍適用性,並採用國際單位制(SI):電荷以庫侖(C)為單位、距離以公尺(m)為單位、能量以焦耳(J)為單位。
$$U = k \cdot \frac{\text{Q}_1\,\text{(C)} \cdot \text{Q}_2\,\text{(C)}}{\text{r (m)}}$$
如何使用本計算器
請以庫侖為單位輸入兩個電荷 \(Q_1\) 與 \(Q_2\),並以公尺為單位輸入間隔距離 \(r\)。計算器會將兩電荷相乘後乘上庫侖常數,再除以距離。若有需要可使用科學記號(例如,1 微庫侖等於 0.000001 C)。結果為正值代表兩電荷互相排斥(同號電荷);結果為負值則代表互相吸引(異號電荷)。
公式詳解
每個電荷的正負號都很關鍵。若兩個電荷同為正或同為負,\(Q_1 \cdot Q_2\) 為正值,能量也為正,表示需要外部供能才能把它們推近。若兩電荷異號,則乘積為負,系統具有較低(負值)的能量,反映出彼此吸引的特性。當兩電荷無限遠離時,能量趨近於零,這正是公式所選定的參考點。
計算範例
假設 \(Q_1 = 1\ \mu\text{C} = 1\times10^{-6}\ \text{C}\)、\(Q_2 = 2\ \mu\text{C} = 2\times10^{-6}\ \text{C}\),且 \(r = 0.5\ \text{m}\)。則 $$U = \frac{8.988\times10^9 \times 1\times10^{-6} \times 2\times10^{-6}}{0.5} = \frac{8.988\times10^9 \times 2\times10^{-12}}{0.5} = \frac{0.017975}{0.5} = 0.03595\ \text{J}$$由於兩電荷皆為正值,能量為正——此組態屬於排斥力。
常見問題
結果為負值代表什麼? 負的電位能表示兩電荷互相吸引;當它們靠近時會釋放能量。
這跟電位(電壓)是同一回事嗎? 不是。電位 \(V = kQ/r\) 是單位電荷所具有的能量(單位為伏特),而本計算器回傳的是這對電荷的總能量(單位為焦耳)。
如果我輸入 \(r = 0\) 會怎樣? 距離必須大於零——當間隔為零時公式會發散,因此計算器會回傳 0 以避免除以零的錯誤。