Artikel tentang Tenaga elektrik yang disimpan dalam kapasitor
Kapasitor terdiri daripada plat dua konduktor dan, di antara kedua-dua konduktor tersebut , terdapat dielektrik. Pada mulanya, kedua-dua konduktor tersebut adalah neutral elektrik. Agar kapasitor berfungsi, setiap plat atau kepingan konduktor mesti dicas secara elektrik, di mana jumlah cas elektrik dalam setiap konduktor adalah sama tetapi berbeza jenisnya. Katakan salah satu konduktor yang dicas ialah Q = +10 Coulomb , konduktor yang satu lagi ialah Q = -10 Coulomb. Kewujudan cas elektrik yang sama besar tetapi bertentangan jenisnya dalam kedua-dua konduktor menghasilkan medan elektrik antara dua plat konduktor, di mana arah medan elektrik adalah dari cas positif ke cas negatif. Di samping itu, terdapat juga perbezaan keupayaan elektrik antara kedua-dua konduktor, di mana konduktor yang bercas positif mempunyai keupayaan elektrik yang lebih tinggi manakala konduktor yang bercas negatif mempunyai keupayaan elektrik yang lebih rendah.
Agar kedua-dua konduktor dicas secara elektrik, kedua-dua konduktor disambungkan kepada sumber kuasa, seperti bateri atau sumber kuasa lain. Pada mulanya, kedua-dua konduktor adalah neutral, di mana bilangan elektron yang bercas negatif dan proton yang bercas positif adalah sama. Kemudian elektron dipindahkan dari konduktor ke konduktor lain supaya konduktor yang kehilangan elektron menjadi bercas positif dan konduktor yang menerima elektron menjadi bercas negatif. Bilangan elektron yang dipindahkan adalah sama dengan bilangan elektron yang diterima supaya setiap konduktor mempunyai cas elektrik yang sama. Perhatikan bahawa apabila kapasitor disambungkan kepada bateri, bateri bertindak untuk menggerakkan elektron dari satu konduktor ke konduktor yang lain.
Salah satu konduktor disambungkan ke kutub negatif dan konduktor yang satu lagi disambungkan ke kutub positif. Kewujudan perbezaan keupayaan elektrik (V) antara dua kutub bateri menyebabkan pergerakan elektron (q) dari satu konduktor ke konduktor yang lain. Pergerakan elektron berhenti selepas perbezaan keupayaan antara dua konduktor sama dengan perbezaan keupayaan bateri. Pada mulanya, apabila konduktor tidak dicas elektrik, tiada kerja diperlukan untuk menggerakkan elektron. Selepas terdapat cas elektrik pada setiap konduktor, ia memerlukan kerja untuk menggerakkan elektron. Lebih besar cas elektrik dalam setiap konduktor, lebih besar kerja untuk menggerakkan elektron kerana daya tolakan antara elektron.
Pergerakan elektron dari satu konduktor ke konduktor yang lain tidak berlaku serentak tetapi secara beransur-ansur sehingga voltan elektrik antara kedua-dua konduktor juga meningkat secara beransur-ansur. Jadi untuk mengira jumlah kerja (W) semasa pemindahan elektrik, 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 mengubah tenaga keupayaan elektrik yang tersimpan dalam kapasitor, tenaga keupayaan elektrik yang tersimpan dalam kapasitor ialah PE = 1/2 Q V.
Oleh kerana Q = CV, formula PE = 1/2 QV boleh ditukar kepada PE = 1/2 QV = 1/2 (CV) (V) = 1/2 CV2 dan PE = 1/2 QV = 1/2 (Q) (Q/C) = 1/2 Q2 / C. Di mana Q = cas elektrik, C = kapasitans, V = voltan elektrik.
Tenaga elektrik dalam medan elektrik
Semasa proses pemfailan cas, apabila setiap konduktor mula dicas secara elektrik, medan elektrik timbul di antara dua plat atau kepingan. Jadi, kerja dilakukan, selain menjadikan konduktor dicas secara elektrik, juga secara tidak langsung membentangkan medan elektrik di antara dua plat atau kepingan konduktor. Oleh kerana kerja berubah kepada tenaga keupayaan elektrik yang tersimpan dalam kapasitor, boleh dianggap bahawa tenaga disimpan dalam medan elektrik.
Formula berikut membuktikan secara matematik hubungan antara tenaga keupayaan elektrik dan medan elektrik.
Dalam artikel tentang kapasitor plat selari, formula C = A ε o / d telah diterbitkan dan artikel tentang keupayaan elektrik telah menyatakan formula V = E d. Sebelum ini, formula tersebut telah diterbitkan daripada tenaga keupayaan elektrik yang tersimpan dalam kapasitor, PE = 1/2 CV 2.
PE = tenaga keupayaan elektrik, A = luas permukaan, d = jarak, A = isipadu, E = medan elektrik, PE / 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 di antara dua plat atau kepingan konduktor terdapat dielektrik, maka εo (permittiviti vakum) 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.
