Material de almacenamento de enerxía eléctrica en condensadores
Un condensador está formado por dúas placas/láminas condutoras e entre as dúas placas condutoras hai unha dieléctricoInicialmente, ambos condutores non están cargados electricamente. Para que o condensador funcione, cada placa/lámina do condutor debe estar cargada electricamente, sendo a cantidade de carga eléctrica en cada condutor a mesma pero de diferentes tipos. Por exemplo, un condutor ten unha carga de Q = +10 culombios, e o outro condutor ten unha carga de Q = -10 culombios. A existencia de carga eléctrica de igual magnitude pero de tipo oposto en ambos condutores dá lugar a campo eléctrico entre as dúas placas condutoras, onde a dirección do campo eléctrico é da carga positiva á carga negativa. Ademais, tamén xorde unha diferenza de potencial eléctrico entre os dous condutores, onde o condutor cargado positivamente ten un potencial eléctrico maior mentres que o condutor cargado negativamente ten un potencial eléctrico menor.
Para cargar ambos condutores, conéctanse a unha fonte de alimentación, como unha batería ou outra fonte de alimentación. Inicialmente, ambos condutores son neutros, cun número igual de electróns cargados negativamente e protóns cargados positivamente. Os electróns transfírense entón dun condutor a outro, o que fai que o condutor que perde electróns se cargue positivamente e o condutor que gaña electróns se cargue negativamente. O número de electróns transferidos é igual ao número de electróns recibidos, o que fai que cada condutor teña a mesma carga eléctrica. Cómpre ter en conta que cando un condensador se conecta a unha batería, a batería actúa como un condutor, transferindo electróns dun condutor a outro.
Un condutor está conectado ao polo negativo e o outro condutor está conectado ao polo positivo. A presenza dunha diferenza de potencial eléctrico (V) entre os dous terminais da batería provoca a transferencia de electróns (q) dun condutor a outro. A transferencia de electróns detense unha vez que a diferenza de potencial entre os dous condutores é igual á diferenza de potencial da batería. Inicialmente, cando os condutores non están cargados electricamente, non se require traballo para mover os electróns. Unha vez que hai unha carga eléctrica en cada condutor, requírese traballo para mover os electróns. Canto maior sexa a carga eléctrica en cada condutor, maior será o traballo necesario para mover os electróns debido á forza repulsiva entre os electróns.
A transferencia de electróns dun condutor a outro non se produce simultaneamente, senón gradualmente, de xeito que a tensión eléctrica entre os dous condutores tamén aumenta gradualmente. Polo tanto, para calcular o traballo total (W) durante a transferencia de electróns, utilízase o valor medio da tensión (V/2). Polo tanto, o traballo realizado para mover electróns é W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Dado que o traballo para mover electróns se converte en enerxía potencial eléctrica almacenada no condensador, a enerxía potencial eléctrica almacenada no condensador é EP = 1/2 Q V. Dado que Q = CV, a fórmula EP = 1/2 QV pódese cambiar a EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV2 e EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q2/C. Descrición: Q = carga eléctrica, C = capacitancia, V = tensión eléctrica.
Enerxía eléctrica nun campo eléctrico
Durante o proceso de carga, cando cada condutor comeza a cargarse, créase un campo eléctrico entre as dúas placas/láminas condutoras. Polo tanto, o traballo realizado non só fai que o condutor se cargue electricamente, senón que tamén crea indirectamente un campo eléctrico entre as dúas placas/láminas condutoras. Debido a que o traballo se converte en enerxía potencial eléctrica almacenada no condensador, pódese considerar que a enerxía se almacena dentro do campo eléctrico.
A seguinte fórmula derívase para demostrar matematicamente a relación entre a enerxía potencial eléctrica e os campos eléctricos.
No artigo titulado condensador de placas paralelas derivouse a fórmula C = A εo/s e no artigo titulado potencial eléctrico A fórmula V = E s xa foi establecida. Anteriormente, derivouse a fórmula para a enerxía potencial eléctrica almacenada nun condensador, concretamente EP = 1/2 CV.2.
Descrición da fórmula: EP = enerxía potencial eléctrica, A = superficie, s = distancia, A s = volume, E = campo eléctrico, EP/A s = enerxía potencial eléctrica por unidade de volume = densidade de enerxía.
A fórmula anterior afirma que a enerxía potencial eléctrica por unidade de volume de espazo nun campo eléctrico é proporcional ao cadrado do campo eléctrico. Se hai un dieléctrico entre as dúas placas/láminas condutoras, entón εo (a permitividade do espazo libre) substitúese pola permitividade do material (ε). Aínda que esta ecuación de densidade de enerxía se deriva usando a ecuación do condensador de placas paralelas, esta ecuación tamén se aplica a todos os espazos que teñen un campo eléctrico.
