Elektriese energiebergingsmateriaal in kondensators
'n Kapasitor bestaan uit twee plate/velle geleiers en tussen die twee geleiers is daar 'n diëlektrikum . Aanvanklik is beide geleiers nie elektries gelaai nie. Vir die kapasitor om te funksioneer, moet elke plaat/vel geleier elektries gelaai wees, waar die hoeveelheid elektriese lading op elke geleier dieselfde maar verskillende tipes is. Byvoorbeeld, een geleier het 'n lading van Q = +10 Coulomb, dan het die ander geleier 'n lading van Q = -10 Coulomb. Die teenwoordigheid van dieselfde grootte maar teenoorgestelde tipes elektriese lading op beide geleiers skep 'n elektriese veld tussen die twee geleierplate, waar die rigting van die elektriese veld van die positiewe lading na die negatiewe lading is. Daarbenewens ontstaan ook 'n elektriese potensiaalverskil tussen die twee geleiers, waar die positief gelaaide geleier 'n hoër elektriese potensiaal het terwyl die negatief gelaaide geleier 'n laer elektriese potensiaal het.
Om beide geleiers te laai, word hulle aan 'n kragbron gekoppel, soos 'n battery of ander kragbron. Aanvanklik is beide geleiers neutraal, met 'n gelyke aantal negatief gelaaide elektrone en positief gelaaide protone. Elektrone word dan van een geleier na die ander oorgedra, wat daartoe lei dat die geleier wat elektrone verloor, positief gelaai word en die geleier wat elektrone opneem, negatief gelaai word. Die aantal elektrone wat oorgedra word, is gelyk aan die aantal elektrone wat ontvang word, wat daartoe lei dat elke geleier dieselfde elektriese lading het. Daar moet kennis geneem word dat wanneer 'n kapasitor aan 'n battery gekoppel word, die battery as 'n geleier optree en elektrone van een geleier na die ander oordra.
Een geleier is aan die negatiewe pool gekoppel en die ander geleier is aan die positiewe pool gekoppel. Die teenwoordigheid van 'n elektriese potensiaalverskil (V) tussen die twee batteryterminale veroorsaak die oordrag van elektrone (q) van een geleier na die ander. Die oordrag van elektrone stop sodra die potensiaalverskil tussen die twee geleiers gelyk is aan die potensiaalverskil van die battery. Aanvanklik, wanneer die geleiers nie elektries gelaai is nie, is geen werk nodig om elektrone te beweeg nie. Sodra daar 'n elektriese lading op elke geleier is, is werk nodig om elektrone te beweeg. Hoe groter die elektriese lading op elke geleier, hoe groter die werk wat nodig is om elektrone te beweeg as gevolg van die afstotende krag tussen die elektrone.
Die oordrag van elektrone van een geleier na 'n ander vind nie gelyktydig plaas nie, maar geleidelik, sodat die elektriese spanning tussen die twee geleiers ook geleidelik toeneem. Om die totale werk (W) tydens elektronoordrag te bereken, word die gemiddelde spanningswaarde (V/2) gebruik. Die werk wat verrig word om elektrone te beweeg, is dus W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Omdat die werk om elektrone te beweeg, verander in elektriese potensiële energie wat in die kapasitor gestoor word, is die elektriese potensiële energie wat in die kapasitor gestoor word EP = 1/2 Q V. Omdat Q = CV, kan die formule EP = 1/2 QV verander word na EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 en EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Inligting: Q = elektriese lading, C = kapasitansie, V = elektriese spanning.
Elektriese energie in 'n elektriese veld
Tydens die laaiproses, wanneer elke geleier begin laai, word 'n elektriese veld tussen die twee geleierplate/velle geskep. Daarom veroorsaak die werk wat verrig word nie net dat die geleier elektries gelaai word nie, maar skep dit ook indirek 'n elektriese veld tussen die twee geleierplate/velle. Omdat die werk omgeskakel word in elektriese potensiële energie wat in die kapasitor gestoor word, kan daar beskou word dat energie binne die elektriese veld gestoor word.
Die volgende formule word afgelei om die verband tussen elektriese potensiële energie en elektriese velde wiskundig te bewys.
In die artikel getiteld parallelle plaatkondensators is die formule C = A ε o /s afgelei en in die artikel getiteld elektriese potensiaal is die formule V = E s gestel. Voorheen is die formule vir die elektriese potensiële energie wat in 'n kondensator gestoor word, afgelei, naamlik EP = 1/2 CV 2.
Formule beskrywing: EP = elektriese potensiële energie, A = oppervlakarea, s = afstand, A s = volume, E = elektriese veld, EP/A s = elektriese potensiële energie per volume-eenheid = energiedigtheid.
Die formule hierbo bepaal dat die elektriese potensiële energie per volume-eenheid van ruimte in 'n elektriese veld eweredig is aan die kwadraat van die elektriese veld. As daar 'n diëlektrikum tussen die twee geleidende plate/velle is, word ε₂o (die permittiwiteit van vrye ruimte) vervang deur die permittiwiteit van die materiaal (ε). Alhoewel hierdie energiedigtheidsvergelyking afgelei word deur die parallelle plaatkapasitorvergelyking te gebruik, geld hierdie vergelyking ook vir alle ruimtes wat 'n elektriese veld het.
