Material de armazenamento de energia elétrica em capacitores
Um capacitor é composto por duas placas/folhas condutoras e, entre elas, um dielétrico . Inicialmente, ambos os condutores estão descarregados. Para que o capacitor funcione, cada placa/folha condutora deve ser carregada eletricamente, com a mesma quantidade de carga em cada condutor, porém de tipos diferentes. Por exemplo, um condutor pode ter uma carga de Q = +10 Coulomb e o outro, uma carga de Q = -10 Coulomb. A presença de cargas elétricas iguais , mas de tipos opostos, em ambos os condutores cria um campo elétrico entre as placas, com a direção do campo elétrico indo da carga positiva para a negativa. Além disso, surge uma diferença de potencial elétrico entre os dois condutores, sendo que o condutor com carga positiva apresenta um potencial elétrico maior, enquanto o condutor com carga negativa apresenta um potencial elétrico menor.
Para carregar ambos os condutores, eles são conectados a uma fonte de energia, como uma bateria ou outra fonte de alimentação. Inicialmente, ambos os condutores estão neutros, com o mesmo número de elétrons (carga negativa) e prótons (carga positiva). Os elétrons são então transferidos de um condutor para o outro, resultando na perda de elétrons pelo condutor que fica positivamente carregado e no ganho de elétrons pelo condutor que fica negativamente carregado. O número de elétrons transferidos é igual ao número de elétrons recebidos, resultando em cada condutor com a mesma carga elétrica. Deve-se notar que, quando um capacitor é conectado a uma bateria, a bateria atua como um condutor, transferindo elétrons de um condutor para o outro.
Um condutor é conectado ao polo negativo e o outro ao polo positivo. A presença de uma diferença de potencial elétrico (V) entre os dois terminais da bateria causa a transferência de elétrons (q) de um condutor para o outro. A transferência de elétrons cessa quando a diferença de potencial entre os dois condutores se iguala à diferença de potencial da bateria. Inicialmente, quando os condutores não estão eletricamente carregados, não é necessário trabalho para mover os elétrons. Assim que houver uma carga elétrica em cada condutor, será necessário trabalho para mover os elétrons. Quanto maior a carga elétrica em cada condutor, maior será o trabalho necessário para mover os elétrons devido à força repulsiva entre eles.
A transferência de elétrons de um condutor para outro não ocorre simultaneamente, mas gradualmente, de modo que a tensão elétrica entre os dois condutores também aumenta gradualmente. Portanto, para calcular o trabalho total (W) durante a transferência de elétrons, utiliza-se o valor médio da tensão (V/2). Assim, o trabalho realizado para mover os elétrons é W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Como o trabalho para mover os elétrons se transforma em energia potencial elétrica armazenada no capacitor, a energia potencial elétrica armazenada no capacitor é EP = 1/2 Q V. Como Q = CV, a fórmula EP = 1/2 QV pode ser alterada para EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV² e EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q² / C. Informações: Q = carga elétrica, C = capacitância, V = tensão elétrica.
Energia elétrica em um campo elétrico
Durante o processo de carregamento, quando cada condutor começa a se carregar, um campo elétrico é criado entre as duas placas/folhas condutoras. Portanto, o trabalho realizado não apenas faz com que o condutor fique eletricamente carregado, mas também cria indiretamente um campo elétrico entre as duas placas/folhas condutoras. Como o trabalho é convertido em energia potencial elétrica armazenada no capacitor, pode-se considerar que a energia é armazenada dentro do campo elétrico.
A fórmula a seguir foi derivada para provar matematicamente a relação entre energia potencial elétrica e campos elétricos.
No artigo intitulado capacitores de placas paralelas, a fórmula C = A ε o /s foi derivada e no artigo intitulado potencial elétrico, a fórmula V = E s foi apresentada. Anteriormente, a fórmula para a energia potencial elétrica armazenada em um capacitor foi derivada, a saber, EP = 1/2 CV 2.
Descrição da fórmula: EP = energia potencial elétrica, A = área da superfície, s = distância, A s = volume, E = campo elétrico, EP/A s = energia potencial elétrica por unidade de volume = densidade de energia.
A fórmula acima afirma que a energia potencial elétrica por unidade de volume de espaço em um campo elétrico é proporcional ao quadrado do campo elétrico. Se houver um dielétrico entre as duas placas/folhas condutoras, então ε₀ ( a permissividade do vácuo) é substituída pela permissividade do material (ε). Embora essa equação da densidade de energia seja derivada usando a equação do capacitor de placas paralelas, ela também se aplica a todos os espaços que possuem um campo elétrico.
