Материал за съхранение на електрическа енергия в кондензатори
Кондензаторът е съставен от две пластини/листове проводници, а между двата проводника има диелектрик . Първоначално и двата проводника не са електрически заредени. За да функционира кондензаторът, всяка пластина/лист проводник трябва да бъде електрически заредена, като количеството електрически заряд върху всеки проводник е еднакво, но от различни видове. Например, единият проводник има заряд Q = +10 Кулон, а другият проводник има заряд Q = -10 Кулон. Наличието на един и същ електрически заряд , но от противоположни видове върху двата проводника, създава електрическо поле между двете пластини проводник, където посоката на електрическото поле е от положителния заряд към отрицателния заряд. Освен това, между двата проводника възниква и електрическа потенциална разлика, при която положително зареденият проводник има по-висок електрически потенциал, докато отрицателно зареденият проводник има по-нисък електрически потенциал.
За да се заредят и двата проводника, те се свързват към източник на захранване, като например батерия или друг източник на захранване. Първоначално и двата проводника са неутрални, с равен брой отрицателно заредени електрони и положително заредени протони. След това електроните се прехвърлят от единия проводник към другия, в резултат на което проводникът губи електрони и се зарежда положително, а проводникът получава електрони и се зарежда отрицателно. Броят на прехвърлените електрони е равен на броя на приетите електрони, в резултат на което всеки проводник има еднакъв електрически заряд. Трябва да се отбележи, че когато кондензаторът е свързан към батерия, батерията действа като проводник, прехвърляйки електрони от единия проводник към другия.
Единият проводник е свързан към отрицателния полюс, а другият проводник е свързан към положителния полюс. Наличието на електрическа потенциална разлика (V) между двата терминала на батерията причинява прехвърляне на електрони (q) от единия проводник към другия. Прехвърлянето на електрони спира, след като потенциалната разлика между двата проводника е равна на потенциалната разлика на батерията. Първоначално, когато проводниците не са електрически заредени, не е необходима работа за преместване на електрони. След като има електрически заряд върху всеки проводник, е необходима работа за преместване на електрони. Колкото по-голям е електрическият заряд върху всеки проводник, толкова по-голяма е работата, необходима за преместване на електрони, поради силата на отблъскване между електроните.
Преносът на електрони от един проводник към друг не се случва едновременно, а постепенно, така че електрическото напрежение между двата проводника също се увеличава постепенно. За да се изчисли общата работа (W) по време на преноса на електрони, се използва средната стойност на напрежението (V/2). Така че работата, извършена за преместване на електрони, е W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Тъй като работата по преместване на електрони се превръща в електрическа потенциална енергия, съхранена в кондензатора, електрическата потенциална енергия, съхранена в кондензатора, е EP = 1/2 Q V. Тъй като Q = CV, формулата EP = 1/2 QV може да се промени на EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV² и EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q² / C. Информация: Q = електрически заряд, C = капацитет, V = електрическо напрежение.
Електрическа енергия в електрическо поле
По време на процеса на зареждане, когато всеки проводник започне да се зарежда, между двете проводящи пластини/листа се създава електрическо поле. Следователно, извършената работа не само кара проводника да се зареди електрически, но и косвено създава електрическо поле между двете проводящи пластини/листа. Тъй като работата се преобразува в електрическа потенциална енергия, съхранена в кондензатора, може да се счита, че енергията се съхранява в електрическото поле.
Следната формула е изведена, за да докаже математически връзката между електрическата потенциална енергия и електрическите полета.
В статията, озаглавена „Плочени кондензатори“, е изведена формулата C = A ε o /s , а в статията, озаглавена „Електрически потенциал“, е посочена формулата V = E s. Преди това е изведена формулата за електрическата потенциална енергия, съхранена в кондензатор, а именно EP = 1/2 CV².
Описание на формулата: EP = електрическа потенциална енергия, A = повърхностна площ, s = разстояние, A s = обем, E = електрическо поле, EP/A s = електрическа потенциална енергия на единица обем = енергийна плътност.
Горната формула гласи, че електрическата потенциална енергия на единица обем пространство в електрическо поле е пропорционална на квадрата на електрическото поле. Ако между двете проводими плочи/листа има диелектрик, тогава εo ( диелектричната проницаемост на свободното пространство) се заменя с диелектричната проницаемост на материала (ε). Въпреки че това уравнение за енергийната плътност е изведено с помощта на уравнението за кондензатор с паралелни плочи, то важи и за всички пространства, които имат електрическо поле.
