Статия за електрическата енергия, съхранявана в кондензатори
Кондензаторът е съставен от двупроводникови пластини, а между двата проводника има диелектрик. Първо, двата проводника са електрически неутрални. За да функционира кондензаторът, всяка пластина или слой от проводника трябва да бъде електрически заредена, като количеството електрически заряд във всеки проводник е еднакво, но различно по вид. Да предположим, че единият от заредените проводници е Q = +10 Кулон, а другият проводник е Q = -10 Кулон. Наличието на един и същ голям, но противоположен тип електрически заряд и в двата проводника генерира електрическо поле между двете проводникови пластини, където посоката на електрическото поле е от положителния заряд към отрицателния заряд. Освен това съществува и разлика в електрическия потенциал между двата проводника, като положително заредените проводници имат по-висок електрически потенциал, докато отрицателно заредените проводници имат по-нисък електрически потенциал.
За да бъдат и двата проводника електрически заредени, те се свързват към източник на енергия, като например батерия или друг източник на енергия. Първоначално двата проводника са неутрални, където броят на отрицателно заредените електрони и положително заредените протони е равен. След това електроните се прехвърлят от един проводник към друг проводник, така че проводникът, който губи електрона, се зарежда положително, а проводникът, който приема електрона, се зарежда отрицателно. Броят на прехвърлените електрони е равен на броя на получените електрони, така че всеки проводник има еднакъв електрически заряд. Обърнете внимание, че когато кондензаторът е свързан към батерията, тя действа, за да премести електрони от един проводник към друг.
Единият от проводниците е свързан към отрицателния полюс, а другият проводник е свързан към положителния полюс. Наличието на електрическа потенциална разлика (V) между двата полюса на батерията причинява движението на електрони (q) от един проводник към друг. Движението на електрони спира, след като потенциалната разлика между двата проводника се изравни с потенциалната разлика на батерията. В началото, когато проводникът не е електрически зареден, 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 във всеки проводник, толкова по-голяма е работата за преместване на електрони поради силата на отблъскване между електроните.
Движението на електрони от един проводник към друг не се случва едновременно, а постепенно, така че електрическото напрежение между двата проводника също се увеличава постепенно. Така че, за да се изчисли общата работа (W) по време на електрически пренос, 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 преместването на електрони променя електрическата потенциална енергия, съхранена в кондензатора, електрическата потенциална енергия, съхранена в кондензатора, е PE = 1/2 Q V.
Тъй като Q = CV, формулата PE = 1/2 QV може да се преобразува в PE = 1/2 QV = 1/2 (CV) (V) = 1/2 CV² и PE = 1/2 QV = 1/2 (Q) (Q/C) = 1/2 Q² / C. Където Q = електрически заряд, C = капацитет, V = електрическо напрежение.
Електрическа енергия в електрическото поле
По време на процеса на зареждане, когато всеки проводник започне да се зарежда електрически, между двете плочи или слоеве възниква електрическо поле. По този начин, освен че проводникът се зарежда електрически, се извършва работа, която индиректно създава и електрическо поле между двете плочи или слоеве проводници. Тъй като работата променя електрическата потенциална енергия, съхранена в кондензатора, може да се счита, че енергията се съхранява в електрическо поле.
Следната формула доказва математически връзката между електрическата потенциална енергия и електрическото поле.
В статията за кондензатора с паралелни плочи е изведена формулата C = A ε o / d, а в статията за електрическия потенциал е посочена формулата V = E d. Преди това формулата е изведена от електрическата потенциална енергия, съхранена в кондензатора, PE = 1/2 CV².
PE = електрическа потенциална енергия, A = повърхностна площ, d = разстояние, A d = обем, E = електрическо поле, PE / A d = 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 пластини или слоеве на проводника има диелектрик, тогава εo (диелектрична проницаемост на вакуума) се заменя с диелектрична проницаемост на материала (ε). Въпреки че това уравнение за енергийната плътност е изведено с помощта на уравнението на кондензатора с успоредни пластини, то важи и за всички пространства, които имат електрическо поле.
