Matériau de stockage d'énergie électrique dans les condensateurs
Un condensateur est constitué de deux plaques/feuilles conductrices et entre les deux conducteurs se trouve diélectriqueInitialement, les deux conducteurs ne sont pas chargés électriquement. Pour que le condensateur fonctionne, chaque armature conductrice doit être chargée électriquement, la quantité de charge étant identique pour chaque conducteur mais de nature différente. Par exemple, si un conducteur porte une charge Q = +10 coulombs et l'autre une charge Q = -10 coulombs, alors l'existence de cette charge est essentielle. charge électrique une magnitude égale mais un type opposé dans les deux conducteurs donne lieu à champ électrique Entre les deux plaques conductrices, le champ électrique est orienté de la charge positive vers la charge négative. De plus, une différence de potentiel électrique apparaît entre les deux conducteurs : le conducteur chargé positivement présente un potentiel électrique plus élevé que le conducteur chargé négativement.
Pour charger les deux conducteurs, on les connecte à une source d'alimentation, comme une pile ou autre. Initialement, les deux conducteurs sont neutres, possédant un nombre égal d'électrons (chargés négativement) et de protons (chargés positivement). Des électrons sont ensuite transférés d'un conducteur à l'autre : le conducteur perdant des électrons se charge positivement, tandis que celui qui en gagne se charge négativement. Le nombre d'électrons transférés est égal au nombre d'électrons reçus, ce qui fait que chaque conducteur possède la même charge électrique. Il est important de noter que lorsqu'un condensateur est connecté à une pile, celle-ci se comporte comme un conducteur, transférant des électrons d'un conducteur à l'autre.
Un conducteur est relié à la borne négative et l'autre à la borne positive. La présence d'une différence de potentiel électrique (V) entre les deux bornes de la batterie provoque le transfert d'électrons (q) d'un conducteur à l'autre. Ce transfert cesse lorsque la différence de potentiel entre les deux conducteurs atteint la valeur de la différence de potentiel de la batterie. Initialement, lorsque les conducteurs ne sont pas chargés électriquement, aucun travail n'est nécessaire pour déplacer les électrons. Dès qu'une charge électrique apparaît sur chaque conducteur, un travail est nécessaire pour déplacer les électrons. Plus la charge électrique de chaque conducteur est importante, plus le travail requis pour déplacer les électrons est grand en raison de la force de répulsion entre eux.
Le transfert d'électrons d'un conducteur à l'autre ne se produit pas simultanément mais progressivement, de sorte que la tension électrique entre les deux conducteurs augmente également progressivement. Pour calculer le travail total (W) lors du transfert d'électrons, on utilise la valeur moyenne de la tension (V/2). Le travail nécessaire au déplacement des électrons est donc W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Ce travail étant converti en énergie potentielle électrique stockée dans le condensateur, cette énergie potentielle est EP = 1/2 Q V. Comme Q = CV, l'équation EP = 1/2 QV devient EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV2 et EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q2/C. Description : Q = charge électrique, C = capacité, V = tension électrique.
Énergie électrique dans un champ électrique
Lors de la charge, lorsqu'un conducteur commence à se charger, un champ électrique se crée entre les deux plaques conductrices. Ainsi, le travail fourni permet non seulement de charger électriquement le conducteur, mais aussi de créer indirectement un champ électrique entre les deux plaques conductrices. Ce travail étant converti en énergie potentielle électrique stockée dans le condensateur, on peut considérer que de l'énergie est stockée au sein du champ électrique.
La formule suivante est établie pour démontrer mathématiquement la relation entre l'énergie potentielle électrique et les champs électriques.
Dans l'article intitulé condensateur plan la formule C = A ε a été établieo/s et dans l'article intitulé potentiel électrique La formule V = E<sub>s</sub> a été énoncée. Auparavant, la formule de l'énergie potentielle électrique stockée dans un condensateur a été établie : EP = 1/2 CV2.
Description de la formule : EP = énergie potentielle électrique, A = surface, s = distance, A s = volume, E = champ électrique, EP/A s = énergie potentielle électrique par unité de volume = densité d'énergie.
La formule ci-dessus indique que l'énergie potentielle électrique par unité de volume dans un champ électrique est proportionnelle au carré du champ électrique. S'il y a un diélectrique entre les deux plaques/feuilles conductrices, alors εo La permittivité du vide est remplacée par la permittivité du matériau (ε). Bien que cette équation de densité d'énergie soit dérivée de l'équation du condensateur plan, elle s'applique également à tout espace présentant un champ électrique.
