Lagringsmateriale for elektrisk energi i kondensatorer
En kondensator består av to plater/ark med ledere, og mellom de to lederne er det et dielektrikum . I utgangspunktet er ingen av lederne elektrisk ladet. For at kondensatoren skal fungere, må hver plate/ark av lederen være elektrisk ladet, hvor mengden elektrisk ladning på hver leder er den samme, men av forskjellige typer. For eksempel har den ene lederen en ladning på Q = +10 Coulomb, mens den andre lederen har en ladning på Q = -10 Coulomb. Tilstedeværelsen av den samme elektriske ladningen , men motsatte typer, på begge lederne skaper et elektrisk felt mellom de to lederplatene, hvor retningen på det elektriske feltet er fra den positive ladningen til den negative ladningen. I tillegg oppstår det også en elektrisk potensialforskjell mellom de to lederne, hvor den positivt ladede lederen har et høyere elektrisk potensial, mens den negativt ladede lederen har et lavere elektrisk potensial.
For å lade begge lederne er de koblet til en strømkilde, for eksempel et batteri eller en annen strømkilde. I utgangspunktet er begge lederne nøytrale, med et likt antall negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner. Elektroner overføres deretter fra den ene lederen til den andre, noe som resulterer i at lederen som mister elektroner blir positivt ladet, og lederen som mottar elektroner blir negativt ladet. Antall elektroner som overføres er lik antall elektroner som mottas, noe som resulterer i at hver leder har samme elektriske ladning. Det skal bemerkes at når en kondensator er koblet til et batteri, fungerer batteriet som en leder og overfører elektroner fra den ene lederen til den andre.
Den ene lederen er koblet til den negative polen og den andre lederen er koblet til den positive polen. Tilstedeværelsen av en elektrisk potensialforskjell (V) mellom de to batteripolene forårsaker overføring av elektroner (q) fra den ene lederen til den andre. Overføringen av elektroner stopper når potensialforskjellen mellom de to lederne er lik batteriets potensialforskjell. I utgangspunktet, når lederne ikke er elektrisk ladet, kreves det ikke noe arbeid for å flytte elektroner. Når det er en elektrisk ladning på hver leder, kreves det arbeid for å flytte elektroner. Jo større elektrisk ladning på hver leder, desto større arbeid kreves det for å flytte elektroner på grunn av frastøtingskraften mellom elektronene.
Overføringen av elektroner fra en leder til en annen skjer ikke samtidig, men gradvis, slik at den elektriske spenningen mellom de to lederne også øker gradvis. Så for å beregne det totale arbeidet (W) under elektronoverføring, brukes den gjennomsnittlige spenningsverdien (V/2). Så arbeidet som gjøres for å flytte elektroner er W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Fordi arbeidet som gjøres for å flytte elektroner endres til elektrisk potensiell energi lagret i kondensatoren, er den elektriske potensielle energien lagret i kondensatoren EP = 1/2 Q V. Fordi Q = CV, kan formelen EP = 1/2 QV endres til EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 og EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Informasjon: Q = elektrisk ladning, C = kapasitans, V = elektrisk spenning.
Elektrisk energi i et elektrisk felt
Under ladeprosessen, når hver leder begynner å lade, skapes et elektrisk felt mellom de to lederplatene/arkene. Derfor fører arbeidet som utføres ikke bare til at lederen blir elektrisk ladet, men skaper også indirekte et elektrisk felt mellom de to lederplatene/arkene. Fordi arbeidet omdannes til elektrisk potensiell energi lagret i kondensatoren, kan det anses at energi lagres i det elektriske feltet.
Følgende formel er utledet for matematisk å bevise forholdet mellom elektrisk potensiell energi og elektriske felt.
I artikkelen med tittelen parallelle platekondensatorer er formelen C = A ε o /s utledet , og i artikkelen med tittelen elektrisk potensial er formelen V = E s angitt. Tidligere er formelen for den elektriske potensielle energien lagret i en kondensator utledet, nemlig EP = 1/2 CV 2.
Formelbeskrivelse: EP = elektrisk potensiell energi, A = overflateareal, s = avstand, As = volum, E = elektrisk felt, EP/As = elektrisk potensiell energi per volumenhet = energitetthet.
Formelen ovenfor sier at den elektriske potensielle energien per volumenhet av rommet i et elektrisk felt er proporsjonal med kvadratet av det elektriske feltet. Hvis det er et dielektrikum mellom de to ledende platene/arkene, erstattes εo (permittiviteten til det frie rommet) av permittiviteten til materialet (ε). Selv om denne energitetthetsligningen er utledet ved hjelp av ligningen for parallelle platekondensatorer, gjelder denne ligningen også for alle rom som har et elektrisk felt.
