Formulario di fisica: l'energia potenziale elettrica

L’energia è uno dei concetti cardine della fisica, fondamentale per comprendere come e perché avvengono i fenomeni naturali. Si manifesta in vari modi e una delle sue forme più affascinanti e misteriose è l’energia potenziale: come suggerisce il termine “potenziale”, questa energia non è immediatamente visibile o tangibile come l’energia cinetica di un oggetto in movimento, ma rappresenta piuttosto una capacità, una possibilità di compiere lavoro.

L’energia potenziale elettrica si colloca in questo contesto. Immaginate di avere due cariche elettriche separate da una certa distanza: anche se apparentemente immobili, queste cariche interagiscono tra loro creando una forza elettrica. Se spostiamo una delle cariche, stiamo effettivamente compiendo un lavoro contro questa forza. E proprio come quando solleviamo un oggetto contro la forza di gravità, accumuliamo energia potenziale gravitazionale, anche nel caso delle cariche elettriche accumuliamo energia potenziale elettrica.

Ma, cosa rende l’energia potenziale elettrica così speciale? Essa è strettamente legata alle proprietà fondamentali della materia: le cariche elettriche. Ogni atomo, ogni particella, possiede cariche che generano campi elettrici, e quando queste cariche vengono spostate all’interno di questi campi, immagazzinano o rilasciano energia potenziale elettrica. Questo fenomeno è alla base di molte applicazioni tecnologiche, dai condensatori nei circuiti elettronici alle batterie che alimentano i nostri dispositivi. L’energia potenziale elettrica rivela aspetti fondamentali del comportamento delle cariche e delle loro interazioni, e ci offre una lente attraverso cui osservare la natura profonda dell’universo elettrico.

Scopriamo insieme le formule principali che hanno come protagonista questo elemento così importante della fisica!

• Definizione di energia potenziale elettrica
• Energia potenziale di due cariche puntiformi
• Energia potenziale di un sistema di cariche

Definizione di energia potenziale elettrica

Una carica si sposta tra due punti £$A$£ e £$B$£ in una regione dove è presente un campo elettrico. Il lavoro compiuto dalla forza elettrica nello spostamento della carica è indipendente dal percorso compiuto (il campo è conservativo) ed è uguale alla differenza di energia potenziale elettrica £$U$£:

$$L = U_A-U_B= -\Delta U$$

L’unità di misura dell’energia potenziale elettrica nel S.I., come per qualsiasi forma di energia, è il joule £$(J)$£.

Energia potenziale di due cariche puntiformi

L’energia potenziale di una carica £$q$£ che si trova a distanza £$r$£ da una carica £$Q$£ che genera il campo è:

$$U(r)= \frac{Qq}{4\pi \epsilon_0 r}$$

che è pari al lavoro che compie la forza elettrica quando la carica si sposta dal punto dato all’infinito.

Energia potenziale di un sistema di cariche

Dato un sistema di particelle cariche l’energia potenziale totale è data dalla somma algebrica dell’energia potenziale di ogni combinazione di coppie di cariche; ad esempio date tre cariche £$q_1$£, £$q_2$£, £$q_3$£, l’energia potenziale £$U$£ del sistema è: £$U = U_{12}+U_{13}+U_{23}$£.