Elektriskās enerģijas uzkrāšanas materiāls kondensatoros
Kondensators sastāv no divām vadītāju plāksnēm/loksnēm, un starp abiem vadītājiem atrodas dielektriķis . Sākotnēji abi vadītāji nav elektriski lādēti. Lai kondensators darbotos, katrai vadītāja plāksnei/loksnei ir jābūt elektriski lādētai, kur katra vadītāja elektriskā lādiņa daudzums ir vienāds, bet dažāda veida. Piemēram, viena vadītāja lādiņš ir Q = +10 kuloni, bet otra vadītāja lādiņš ir Q = -10 kuloni. Vienāda lieluma, bet pretēju veidu elektriskā lādiņa klātbūtne abos vadītājos rada elektrisko lauku starp divām vadītāja plāksnēm, kur elektriskā lauka virziens ir no pozitīvā lādiņa uz negatīvo lādiņu. Turklāt starp abiem vadītājiem rodas arī elektriskā potenciāla starpība, kur pozitīvi lādētajam vadītājam ir augstāks elektriskais potenciāls, bet negatīvi lādētajam vadītājam ir zemāks elektriskais potenciāls.
Lai uzlādētu abus vadītājus, tie tiek pievienoti strāvas avotam, piemēram, akumulatoram vai citam strāvas avotam. Sākotnēji abi vadītāji ir neitrāli, ar vienādu skaitu negatīvi lādētu elektronu un pozitīvi lādētu protonu. Pēc tam elektroni tiek pārnesti no viena vadītāja uz otru, kā rezultātā vadītājs, kas zaudē elektronus, kļūst pozitīvi lādēts, un vadītājs, kas iegūst elektronus, kļūst negatīvi lādēts. Pārnesto elektronu skaits ir vienāds ar saņemto elektronu skaitu, kā rezultātā katram vadītājam ir vienāds elektriskais lādiņš. Jāatzīmē, ka, kad kondensators ir pievienots akumulatoram, akumulators darbojas kā vadītājs, pārnesot elektronus no viena vadītāja uz otru.
Viens vadītājs ir savienots ar negatīvo polu, bet otrs vadītājs ir savienots ar pozitīvo polu. Elektriskās potenciāla starpības (V) klātbūtne starp abiem akumulatora spailēm izraisa elektronu (q) pārnesi no viena vadītāja uz otru. Elektronu pārnešana apstājas, kad potenciālu starpība starp abiem vadītājiem ir vienāda ar akumulatora potenciālu starpību. Sākotnēji, kad vadītāji nav elektriski lādēti, elektronu pārvietošanai nav nepieciešams darbs. Kad katram vadītājam ir elektriskais lādiņš, elektronu pārvietošanai ir nepieciešams darbs. Jo lielāks ir katra vadītāja elektriskais lādiņš, jo lielāks darbs ir nepieciešams elektronu pārvietošanai elektronu atgrūšanas spēka dēļ.
Elektronu pārnešana no viena vadītāja uz otru nenotiek vienlaicīgi, bet gan pakāpeniski, tāpēc arī elektriskais spriegums starp abiem vadītājiem pakāpeniski palielinās. Tātad, lai aprēķinātu kopējo darbu (W) elektronu pārneses laikā, tiek izmantota vidējā sprieguma vērtība (V/2). Tātad darbs, kas tiek veikts, lai pārvietotu elektronus, ir W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Tā kā darbs, kas tiek veikts, lai pārvietotu elektronus, pārvēršas kondensatorā uzkrātajā elektriskajā potenciāla enerģijā, kondensatorā uzkrātā elektriskā potenciāla enerģija ir EP = 1/2 Q V. Tā kā Q = CV, formulu EP = 1/2 QV var mainīt uz EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 un EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Informācija: Q = elektriskais lādiņš, C = kapacitāte, V = elektriskais spriegums.
Elektriskā enerģija elektriskajā laukā
Uzlādes procesa laikā, kad katrs vadītājs sāk uzlādēties, starp divām vadītāja plāksnēm/loksnēm rodas elektriskais lauks. Tādēļ paveiktais darbs ne tikai izraisa vadītāja elektrisko uzlādi, bet arī netieši rada elektrisko lauku starp divām vadītāja plāksnēm/loksnēm. Tā kā darbs tiek pārveidots par kondensatorā uzkrāto elektrisko potenciālo enerģiju, var uzskatīt, ka enerģija tiek uzkrāta elektriskajā laukā.
Lai matemātiski pierādītu elektriskās potenciālās enerģijas un elektrisko lauku savstarpējo saistību, ir atvasināta šāda formula.
Rakstā ar nosaukumu “Paralēlo plākšņu kondensatori” ir atvasināta formula C = A ε o /s , un rakstā ar nosaukumu “Elektriskais potenciāls” ir norādīta formula V = E s. Iepriekš tika atvasināta kondensatorā uzkrātās elektriskā potenciāla enerģijas formula, proti, EP = 1/2 CV 2.
Formulas apraksts: EP = elektriskā potenciālā enerģija, A = virsmas laukums, s = attālums, A s = tilpums, E = elektriskais lauks, EP/A s = elektriskā potenciālā enerģija uz tilpuma vienību = enerģijas blīvums.
Iepriekš minētā formula nosaka, ka elektriskā potenciālā enerģija uz telpas tilpuma vienību elektriskajā laukā ir proporcionāla elektriskā lauka kvadrātam. Ja starp divām vadošajām plāksnēm/loksnēm ir dielektriķis, tad ε0 ( brīvās telpas dielektriķis) tiek aizstāta ar materiāla dielektriķi (ε). Lai gan šis enerģijas blīvuma vienādojums ir atvasināts, izmantojot paralēlo plākšņu kondensatora vienādojumu, šis vienādojums attiecas arī uz visām telpām, kurās ir elektriskais lauks.
