Raksts par kondensatoros uzkrāto elektrisko enerģiju
The kondensators sastāv no divu vadītāju plāksnēm, un starp abiem vadītājiem atrodas dielektriķis. Sākumā abi vadītāji ir elektriski neitrāli. Lai kondensators darbotos, katrai vadītāja plāksnei vai loksnei jābūt elektriski uzlādētai, kur elektriskā lādiņa daudzums katrā vadītājā ir vienāds, bet atšķirīgs pēc veida. Pieņemsim, ka viens no uzlādētajiem vadītājiem ir Q = +10 Kulons, otra vadītāja spriegums ir Q = -10 kuloni. Viena un tā paša lielā, bet pretēja veida elektriskā lādiņa esamība abos vadītājos rada elektrisko lauku starp abām vadītāja plāksnēm, kur elektriskā lauka virziens ir no pozitīvā lādiņa uz negatīvo lādiņu. Turklāt starp abiem vadītājiem pastāv arī elektriskā potenciāla starpība, kur pozitīvi lādētiem vadītājiem ir augstāks elektriskais potenciāls, bet negatīvi lādētiem vadītājiem ir zemāks elektriskais potenciāls.
Lai abi vadītāji būtu elektriski uzlādēti, abi vadītāji tiek savienoti ar barošanas avotu, piemēram, akumulatoru vai citu barošanas avotu. Sākumā abi vadītāji ir neitrāli, kur negatīvi lādēto elektronu un pozitīvi lādēto protonu skaits ir vienāds. Pēc tam elektroni tiek pārnesti no viena vadītāja uz citu vadītāju, lai vadītājs, kas zaudē elektronu, kļūtu pozitīvi lādēts, un vadītājs, kas saņem elektronu, kļūtu negatīvi lādēts. Pārnesto elektronu skaits ir vienāds ar saņemto elektronu skaitu, lai katram vadītājam būtu vienāds elektriskais lādiņš. Ņemiet vērā, ka, kad kondensators ir pievienots akumulatoram, akumulators darbojas, pārvietojot elektronus no viena vadītāja uz citu.
Viens no vadītājiem ir savienots ar negatīvo polu, bet otrs vadītājs ir savienots ar pozitīvo polu. Elektriskās potenciāla starpības (V) esamība starp diviem akumulatora poliem izraisa elektronu (q) pārvietošanos no viena vadītāja uz otru. Elektronu kustība apstājas, kad potenciālu starpība starp abiem vadītājiem ir vienāda ar akumulatora potenciālu starpību. Sākumā, kad vadītājs nav elektriski lādēts, elektronu pārvietošanai nav nepieciešams darbs. Pēc tam, kad katrā vadītājā ir elektriskais lādiņš, elektronu pārvietošanai ir nepieciešams darbs. Jo lielāks ir elektriskais lādiņš katrā vadītājā, jo lielāks darbs ir nepieciešams elektronu pārvietošanai elektronu atgrūšanās spēka dēļ.
Elektronu pārvietošanās 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) elektriskās 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, maina kondensatorā uzkrāto elektriskā potenciālā enerģiju, kondensatorā uzkrātā elektriskā potenciālā enerģija ir PE = 1/2 Q V.
Tā kā Q = CV, formulu PE = 1/2 QV var pārvērst par PE = 1/2 QV = 1/2 (CV) (V) = 1/2 CV2 un PE = 1/2 QV = 1/2 (Q) (Q/C) = 1/2 Q2 / C. Kur Q = elektriskais lādiņš, C = kapacitāte, V = elektriskais spriegums.
Elektriskā enerģija elektriskajā laukā
Lādiņa uzpildes procesā, kad katrs vadītājs sāk elektriski lādēties, starp divām plāksnēm vai loksnēm rodas elektriskais lauks. Tādējādi darbs tiek veikts papildus vadītāja elektriskajam lādēšanai, netieši radot arī elektrisko lauku starp divām vadītāju plāksnēm vai loksnēm. Tā kā darbs mainās uz kondensatorā uzkrāto elektrisko potenciālu, var uzskatīt, ka enerģija tiek uzkrāta elektriskajā laukā.
Šāda formula matemātiski pierāda elektriskās potenciālās enerģijas un elektriskā lauka savstarpējo saistību.
Rakstā par paralēlo plākšņu kondensatoru formula C = A εo /d ir atvasināts, un rakstā par elektrisko potenciālu ir norādīta formula V = E d. Iepriekš formula tika atvasināta no kondensatorā uzkrātās elektriskā potenciāla enerģijas, PE = 1/2 CV.2.
PE = elektriskā potenciālā enerģija, A = virsmas laukums, d = attālums, A d = tilpums, E = elektriskais lauks, PE / A d = 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 vadītāja divām plāksnēm vai loksnēm atrodas dielektriķis, tad εo (vakuuma caurlaidība) tiek aizstāta ar materiāla caurlaidību (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.
