Bahan penyimpanan tenaga elektrik dalam kapasitor
Kapasitor terdiri daripada dua plat/kepingan konduktor dan di antara kedua-dua konduktor tersebut terdapat dielektrik . Pada mulanya, kedua-dua konduktor tidak bercas elektrik. Agar kapasitor berfungsi, setiap plat/kepingan konduktor mesti bercas elektrik, di mana jumlah cas elektrik pada setiap konduktor adalah sama tetapi jenisnya berbeza. Contohnya, satu konduktor mempunyai cas Q = +10 Coulomb kemudian konduktor yang satu lagi mempunyai cas Q = -10 Coulomb. Kehadiran magnitud yang sama tetapi jenis cas yang bertentangan pada kedua-dua konduktor mewujudkan medan elektrik di antara dua plat konduktor, di mana arah medan elektrik adalah dari cas positif ke cas negatif. Di samping itu, perbezaan keupayaan elektrik juga timbul antara kedua-dua konduktor, di mana konduktor bercas positif mempunyai keupayaan elektrik yang lebih tinggi manakala konduktor bercas negatif mempunyai keupayaan elektrik yang lebih rendah.
Untuk mengecas kedua-dua konduktor, ia disambungkan kepada sumber kuasa, seperti bateri atau sumber kuasa lain. Pada mulanya, kedua-dua konduktor adalah neutral, dengan bilangan elektron bercas negatif dan proton bercas positif yang sama. Elektron kemudiannya dipindahkan dari satu konduktor ke konduktor yang lain, mengakibatkan konduktor kehilangan elektron menjadi bercas positif dan konduktor yang menerima elektron menjadi bercas negatif. Bilangan elektron yang dipindahkan adalah sama dengan bilangan elektron yang diterima, mengakibatkan setiap konduktor mempunyai cas elektrik yang sama. Perlu diingatkan bahawa apabila kapasitor disambungkan kepada bateri, bateri bertindak sebagai konduktor, memindahkan elektron dari satu konduktor ke konduktor yang lain.
Satu konduktor disambungkan ke kutub negatif dan konduktor yang satu lagi disambungkan ke kutub positif. Kehadiran perbezaan keupayaan elektrik (V) antara dua terminal bateri menyebabkan pemindahan elektron (q) dari satu konduktor ke konduktor yang lain. Pemindahan elektron berhenti sebaik sahaja perbezaan keupayaan antara dua konduktor adalah sama dengan perbezaan keupayaan bateri. Pada mulanya, apabila konduktor tidak dicas elektrik, tiada kerja diperlukan untuk menggerakkan elektron. Sebaik sahaja terdapat cas elektrik pada setiap konduktor, kerja diperlukan untuk menggerakkan elektron. Lebih besar cas elektrik pada setiap konduktor, lebih besar kerja yang diperlukan untuk menggerakkan elektron disebabkan oleh daya tolakan antara elektron.
Pemindahan elektron dari satu konduktor ke konduktor yang lain tidak berlaku secara serentak tetapi secara beransur-ansur supaya voltan elektrik antara kedua-dua konduktor juga meningkat secara beransur-ansur. Jadi untuk mengira jumlah kerja (W) semasa pemindahan elektron, nilai voltan purata (V/2) digunakan. Jadi kerja yang dilakukan untuk menggerakkan elektron ialah W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Oleh kerana kerja untuk menggerakkan elektron berubah menjadi tenaga keupayaan elektrik yang disimpan dalam kapasitor, tenaga keupayaan elektrik yang disimpan dalam kapasitor ialah EP = 1/2 Q V. Oleh kerana Q = CV, formula EP = 1/2 QV boleh ditukar kepada EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 dan EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Maklumat: Q = cas elektrik, C = kapasitans, V = voltan elektrik.
Tenaga elektrik dalam medan elektrik
Semasa proses pengecasan, apabila setiap konduktor mula mengecas, medan elektrik akan terhasil di antara dua plat/helaian konduktor. Oleh itu, kerja yang dilakukan bukan sahaja menyebabkan konduktor bercas elektrik, tetapi juga secara tidak langsung mewujudkan medan elektrik di antara dua plat/helaian konduktor. Oleh kerana kerja tersebut ditukarkan kepada tenaga keupayaan elektrik yang tersimpan dalam kapasitor, boleh dianggap bahawa tenaga disimpan di dalam medan elektrik.
Formula berikut diperoleh untuk membuktikan secara matematik hubungan antara tenaga keupayaan elektrik dan medan elektrik.
Dalam artikel bertajuk kapasitor plat selari, formula C = A ε o /s telah diterbitkan dan dalam artikel bertajuk keupayaan elektrik, formula V = E s telah dinyatakan. Sebelum ini, formula untuk tenaga keupayaan elektrik yang disimpan dalam kapasitor telah diterbitkan, iaitu EP = 1/2 CV 2.
Huraian formula: EP = tenaga keupayaan elektrik, A = luas permukaan, s = jarak, A = isipadu, E = medan elektrik, EP/A = tenaga keupayaan elektrik per unit isipadu = ketumpatan tenaga.
Formula di atas menyatakan bahawa tenaga keupayaan elektrik per unit isipadu ruang dalam medan elektrik adalah berkadar terus dengan kuasa dua medan elektrik. Jika terdapat dielektrik antara dua plat/helaian pengalir, maka ε o (permittiviti ruang bebas) digantikan dengan permittiviti bahan (ε). Walaupun persamaan ketumpatan tenaga ini diterbitkan menggunakan persamaan kapasitor plat selari, persamaan ini juga terpakai kepada semua ruang yang mempunyai medan elektrik.
