ポテンシャル、エネルギーって何でしょうか？

大学で電気を勉強しています。ポテンシャル、エネルギーもよく授業などの議論に出てきます。例えば、ある現象を説明するとき単にポテンシャルが低く安定になるように電子が移動したなどといいますが、正直、ポテンシャル、エネルギーがイマイチつかめません。値を計算しろといわれれば計算できますが、何かわかっているようで漠然としています。ぜひ、熱く語っていただける方教えてください。できれば、高校生に分かるくらいの感じで。宜しくお願い致します。

No.1 回答者： gunta 回答日時： 2005/02/19 06:47

英語で物理を学んだので、日本の用語の使用法とずれていたらすいません。

まだ素粒子などの話が出てこない高校物理ではポテンシャルエナジーは位置エネルギーのことです。同じ砲丸でも１メートル高い机の上に置いてあるやつは、床の上のブツよりＸＸＸ位置エネルギーを多く持っている、というあれです。

電子の場合でも理念は同じです。電荷などは勿論変わりませんが、その電子が置かれている状況により相対的にエネルギーを包括しているということです。エネルギーの坂の上に電子を置けば、低いほうに転がります。

No.2 回答者： shkwta 回答日時： 2005/02/19 10:57

ポテンシャルは、空間の各点がそれぞれもつ何かの量だと考えればよいと思います。

ただし、何の量でも良いわけではなくて、物体をＡ点からＢ点に移動するのに必要なエネルギーが、
Ｅ＝Ｋ｛Ｐ（Ｂ）－Ｐ（Ａ）｝
となるような量Ｐ（Ｘ）がポテンシャルです。Ｋは物体がもつ固有の量です。

静電場なら、Ｐ（Ｘ）はＸ点の静電ポテンシャル、Ｋが物体の電荷となります。重力場ならそれぞれ重力ポテンシャルと質量です。ポテンシャルはスカラーとは限らず、ＫもＰもベクトルで内積をとるとエネルギーになるのもあり、電磁気学のベクトルポテンシャルがそうです。

No.3 ベストアンサー 回答者： apple-man 回答日時： 2005/02/19 11:29

辞書でpotentialって引いてみて下さい。

可能性を秘めた、潜在的な能力・・・
とあるはずです。


運動エネルギーに変わる可能性のある
エネルギーで、直接測定できないが
そこに潜在的（内面）に存在する
エネルギー一般のことで、
古典力学ではNo.1の方が言われて
いる位置エネルギーのことです。

自分のしている腕時計の位置エネルギーを
考えると、地上にいるときよりビルの上に
いるときのほうが、位置エネルギーは
大きいはずですが、そんな実感は普通ありません。
自由落下で運動エネルギーに変わってから
はじめてその大きさがわかるもので、
ｍｇｈという公式は、測定からわかった
高さとエネルギーの関係を表しているだけで、
実測するためには、運動エネルギーに
変換してやらないといけません。

電界のポテンシャルエネルギーの場合、
その定義は点電荷の運動で表現
されてますよね。暗黙のうちに
運動エネルギーへの変換をしているわけです。


ポテンシャルエネルギーは、必ず
運動エネルギーとの和で書かれて
いて、本によっては記号Hで
ハミルトニアンと書かれていると
思います。
このHが一定というのが、高校の物理で
出てきたエネルギー保存の法則です。

エネルギー保存の法則があるから、
運動が起こっていなくても、そこには
見えないエネルギー、直接測定できない
エネルギーがあると確信がもてるので、
この見えないエネルギーをポテンシャル
エネルギーと言っているんです。


＞ポテンシャルが低く安定になるように電子が移動したなどといいますが、

　運動エネルギーをK、ポテンシャルエネルギーをP
とすると、ラグラジアンLというのが
L＝K-P
と定義されます。L>０になるように全ての
自然法則は働くと言われ、これをオプティマル
（最適化）の原理といいます。

複雑な式も

H＝K＋P
L＝K－P

H　ハミルトニアン
L　ラグラジアン
K　運動エネルギー
P　ポテンシャルエネルギー
（運動エネルギーではない、見えないエネルギー）
の原理で書かれていると分かって式を見ると
全体がよく見えると思います。

No.4 回答者： pleiades_smiling 回答日時： 2005/02/19 11:50

確かにポテンシャルエナジーって

最初はイメージつかめないですよね??
でも、
それはなぜかと言うと
物理用語は全て自然を表現するための概念だからです。
概念なのに無理矢理図形的なイメージをしようとすると
かえって難しくなってしまいます。
だから数式以上の意味はありません。
まず、そこのところから
考え方を変えてみてください。

式で計算が出来ると言う時点で、
まず第一ステップクリアです。
そして次にその式からイメージを持つことです。
例えば電気の例であれば、
あるプラスの電荷に
点電荷を近づけば近づくほど大きなエネルギーのバリアで、
押し返そうとする力が働きますが、
そのエネルギーのバリアこそが
ポテンシャルエナジーです。