Materijal za skladištenje električne energije u kondenzatorima
Kondenzator se sastoji od dvije ploče/lista provodnika, a između dva provodnika nalazi se dielektrik . U početku, oba provodnika nisu električno nabijena. Da bi kondenzator funkcionirao, svaka ploča/list provodnika mora biti električno nabijena, pri čemu je količina električnog naboja na svakom provodniku ista, ali različitih vrsta. Na primjer, jedan provodnik ima naboj Q = +10 Coulomb, a drugi provodnik ima naboj Q = -10 Coulomb. Prisustvo iste veličine, ali suprotnih vrsta električnog naboja na oba provodnika stvara električno polje između dvije ploče provodnika, gdje je smjer električnog polja od pozitivnog ka negativnom naboju. Osim toga, između dva provodnika nastaje i razlika električnog potencijala, gdje pozitivno nabijeni provodnik ima veći električni potencijal, dok negativno nabijeni provodnik ima niži električni potencijal.
Da bi se oba provodnika napunila, oni se spajaju na izvor napajanja, kao što je baterija ili neki drugi izvor napajanja. U početku su oba provodnika neutralna, s jednakim brojem negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih protona. Elektroni se zatim prenose s jednog provodnika na drugi, što rezultira time da provodnik gubi elektrone i postaje pozitivno nabijen, a provodnik dobija elektrone i postaje negativno nabijen. Broj prenesenih elektrona jednak je broju primljenih elektrona, što rezultira time da svaki provodnik ima isti električni naboj. Treba napomenuti da kada je kondenzator spojen na bateriju, baterija djeluje kao provodnik, prenoseći elektrone s jednog provodnika na drugi.
Jedan provodnik je spojen na negativni pol, a drugi provodnik na pozitivni pol. Prisustvo razlike električnog potencijala (V) između dva terminala baterije uzrokuje prijenos elektrona (q) s jednog provodnika na drugi. Prijenos elektrona prestaje kada razlika potencijala između dva provodnika postane jednaka razlici potencijala baterije. U početku, kada provodnici nisu električno nabijeni, nije potreban rad za pomicanje elektrona. Kada postoji električni naboj na svakom provodniku, potreban je rad za pomicanje elektrona. Što je veći električni naboj na svakom provodniku, to je veći rad potreban za pomicanje elektrona zbog odbojne sile između elektrona.
Prijenos elektrona s jednog provodnika na drugi ne događa se istovremeno, već postepeno, tako da se električni napon između dva provodnika također postepeno povećava. Dakle, za izračunavanje ukupnog rada (W) tokom prijenosa elektrona koristi se prosječna vrijednost napona (V/2). Dakle, rad izvršen za pomicanje elektrona je W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Budući da se rad za pomicanje elektrona pretvara u električnu potencijalnu energiju pohranjenu u kondenzatoru, električna potencijalna energija pohranjena u kondenzatoru je EP = 1/2 Q V. Budući da je Q = CV, formula EP = 1/2 QV može se promijeniti u EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 i EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Informacije: Q = električni naboj, C = kapacitet, V = električni napon.
Električna energija u električnom polju
Tokom procesa punjenja, kada svaki provodnik počne da se puni, između dvije provodne ploče/lista se stvara električno polje. Stoga, obavljeni rad ne samo da uzrokuje električno naelektrisanje provodnika, već i indirektno stvara električno polje između dvije provodne ploče/lista. Budući da se rad pretvara u električnu potencijalnu energiju uskladištenu u kondenzatoru, može se smatrati da je energija uskladištena unutar električnog polja.
Sljedeća formula je izvedena kako bi se matematički dokazao odnos između električne potencijalne energije i električnih polja.
U članku pod naslovom Kondenzatori s paralelnim pločama izvedena je formula C = A ε o /s , a u članku pod naslovom Električni potencijal navedena je formula V = E s. Prethodno je izvedena formula za električnu potencijalnu energiju pohranjenu u kondenzatoru, naime EP = 1/2 CV 2.
Opis formule: EP = električna potencijalna energija, A = površina, s = udaljenost, A s = zapremina, E = električno polje, EP/A s = električna potencijalna energija po jedinici zapremine = gustina energije.
Gornja formula navodi da je električna potencijalna energija po jedinici zapremine prostora u električnom polju proporcionalna kvadratu električnog polja. Ako se između dvije provodne ploče/lista nalazi dielektrik, tada se εo ( permitivnost slobodnog prostora) zamjenjuje permitivnošću materijala (ε). Iako je ova jednačina gustine energije izvedena korištenjem jednačine za kondenzator sa paralelnim pločama, ova jednačina se također primjenjuje na sve prostore koji imaju električno polje.
