Material de stocare a energiei electrice în condensatoare
Un condensator este alcătuit din două plăci/foi conductoare, iar între cele două conductori există dielectricInițial, ambii conductori nu sunt încărcați electric. Pentru ca condensatorul să funcționeze, fiecare placă/foi de conductor trebuie să fie încărcată electric, iar sarcina electrică de pe fiecare conductor este aceeași, dar de tipuri diferite. De exemplu, un conductor are o sarcină de Q = +10 Coulombs, iar celălalt conductor are o sarcină de Q = -10 Coulombs. Existența... sarcină electrică de magnitudine egală, dar de tip opus în ambii conductori, dă naștere la câmp electric între cele două plăci conductoare, unde direcția câmpului electric este de la sarcina pozitivă la sarcina negativă. În plus, apare și o diferență de potențial electric între cei doi conductori, unde conductorul încărcat pozitiv are un potențial electric mai mare, în timp ce conductorul încărcat negativ are un potențial electric mai mic.
Pentru a încărca ambii conductori, aceștia sunt conectați la o sursă de alimentare, cum ar fi o baterie sau o altă sursă de alimentare. Inițial, ambii conductori sunt neutri, cu un număr egal de electroni încărcați negativ și protoni încărcați pozitiv. Electronii sunt apoi transferați de la un conductor la altul, ceea ce duce la încărcarea pozitivă a conductorului care pierde electroni, iar încărcarea negativă a conductorului care câștigă electroni. Numărul de electroni transferați este egal cu numărul de electroni primiți, rezultând că fiecare conductor are aceeași sarcină electrică. Trebuie menționat că atunci când un condensator este conectat la o baterie, bateria acționează ca un conductor, transferând electroni de la un conductor la altul.
Un conductor este conectat la polul negativ, iar celălalt conductor este conectat la polul pozitiv. Prezența unei diferențe de potențial electric (V) între cele două borne ale bateriei provoacă transferul de electroni (q) de la un conductor la altul. Transferul de electroni se oprește odată ce diferența de potențial dintre cei doi conductori este egală cu diferența de potențial a bateriei. Inițial, când conductorii nu sunt încărcați electric, nu este necesar lucru mecanic pentru a deplasa electronii. Odată ce există o sarcină electrică pe fiecare conductor, este necesar lucru mecanic pentru a deplasa electronii. Cu cât sarcina electrică pe fiecare conductor este mai mare, cu atât este mai mare lucrul mecanic necesar pentru a deplasa electronii datorită forței de respingere dintre electroni.
Transferul de electroni de la un conductor la altul nu are loc simultan, ci treptat, astfel încât tensiunea electrică dintre cei doi conductori crește și ea treptat. Așadar, pentru a calcula lucrul mecanic total (W) în timpul transferului de electroni, se utilizează valoarea medie a tensiunii (V/2). Deci, lucrul mecanic efectuat pentru a deplasa electronii este W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Deoarece lucrul mecanic efectuat pentru a deplasa electronii este convertit în energie potențială electrică stocată în condensator, energia potențială electrică stocată în condensator este EP = 1/2 Q V. Deoarece Q = CV, formula EP = 1/2 QV poate fi schimbată în EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV.2 și EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q2/W. Descriere: Q = sarcină electrică, C = capacitate, V = tensiune electrică.
Energia electrică într-un câmp electric
În timpul procesului de încărcare, când fiecare conductor începe să se încarce, se creează un câmp electric între cele două plăci/foi conductoare. Prin urmare, lucrul mecanic efectuat nu numai că determină încărcarea electrică a conductorului, dar creează și indirect un câmp electric între cele două plăci/foi conductoare. Deoarece lucrul mecanic este convertit în energie potențială electrică stocată în condensator, se poate considera că energia este stocată în câmpul electric.
Următoarea formulă este derivată pentru a demonstra matematic relația dintre energia potențială electrică și câmpurile electrice.
În articolul intitulat condensator cu plăci paralele formula C = Aε a fost derivatăo/s și în articolul intitulat potențial electric Formula V = E s a fost deja enunțată. Anterior, a fost derivată formula pentru energia potențială electrică stocată într-un condensator, și anume EP = 1/2 CV2.
Descrierea formulei: EP = energie potențială electrică, A = aria suprafeței, s = distanță, A s = volum, E = câmp electric, EP/A s = energie potențială electrică pe unitatea de volum = densitatea energiei.
Formula de mai sus afirmă că energia potențială electrică pe unitatea de volum a spațiului într-un câmp electric este proporțională cu pătratul câmpului electric. Dacă există un dielectric între cele două plăci/foi conductoare, atunci εo (permitivitatea spațiului liber) este înlocuită cu permitivitatea materialului (ε). Deși această ecuație a densității energiei este derivată folosind ecuația condensatorului cu plăci paralele, această ecuație se aplică și tuturor spațiilor care au un câmp electric.
