Articol despre energia electrică stocată în condensatoare
Condensatorul este compus din două plăci conductoare, iar între cele două conductori există un dielectric. Inițial, cei doi conductori sunt neutri din punct de vedere electric. Pentru ca condensatorul să funcționeze, fiecare placă sau folie a conductorului trebuie să fie încărcată electric, cantitatea de sarcină electrică din fiecare conductor fiind egală, dar de tip diferit. Să presupunem că unul dintre conductorii încărcați are Q = +10 Coulomb , iar celălalt conductor are Q = -10 Coulomb. Existența aceleiași sarcini electrice mari, dar de tip opus, în ambii conductori generează un câmp electric între cele două plăci conductoare, unde direcția câmpului electric este de la sarcina pozitivă la sarcina negativă. În plus, există și o diferență de potențial electric între cei doi conductori, conductorii încărcați pozitiv au un potențial electric mai mare, în timp ce conductorii încărcați negativ au un potențial electric mai mic.
Pentru ca ambii conductori să fie încărcați electric, aceștia sunt conectați la o sursă de alimentare, cum ar fi o baterie sau o altă sursă de alimentare. La început, cei doi conductori sunt neutri, unde numărul de electroni încărcați negativ și protoni încărcați pozitiv este egal. Apoi, electronii sunt transferați de la un conductor la altul, astfel încât conductorul care pierde electronul devine încărcat pozitiv, iar conductorul care primește electronul devine încărcat negativ. Numărul de electroni transferați este egal cu numărul de electroni primiți, astfel încât fiecare conductor să aibă aceeași sarcină electrică. Rețineți că atunci când condensatorul este conectat la baterie, bateria acționează pentru a muta electronii de la un conductor la altul.
Unul dintre conductori este conectat la polul negativ, iar celălalt conductor este conectat la polul pozitiv. Existența unei diferențe de potențial electric (V) între cei doi poli ai bateriei determină mișcarea electronilor (q) de la un conductor la altul. Mișcarea electronilor se oprește după ce diferența de potențial dintre cei doi conductori este egală cu diferența de potențial a bateriei. La început, când conductorul nu este încărcat electric, nu este necesar lucru mecanic pentru a mișca electronii. După ce există o sarcină electrică pe fiecare conductor, este nevoie de lucru mecanic pentru a mișca electronii. Cu cât sarcina electrică din fiecare conductor este mai mare, cu atât este mai mare lucrul mecanic pentru a mișca electronii din cauza forței de respingere dintre electroni.
Deplasarea electronilor 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 electric total (W) în timpul unui transfer electric, se utilizează valoarea medie a tensiunii (V/2). Așadar, lucrul electric efectuat pentru a deplasa electronii este W = Q (V/2) = 1/2 Q V.
Deoarece lucrul mecanic de deplasare a electronilor modifică energia potențială electrică stocată în condensator, energia potențială electrică stocată în condensator este PE = 1/2 Q V.
Deoarece Q = CV, formula PE = 1/2 QV poate fi convertită în PE = 1/2 QV = 1/2 (CV) (V) = 1/2 CV² și PE = 1/2 QV = 1/2 (Q) (Q/C) = 1/2 Q² / C. Unde Q = sarcină electrică, C = capacitate, V = tensiune electrică.
Energia electrică în câmpul electric
În timpul procesului de încărcare electrică, când fiecare conductor începe să se încarce electric, între cele două plăci sau foi, apare un câmp electric. Astfel, lucrul mecanic este efectuat, pe lângă încărcarea electrică a conductorului, prezentând și indirect un câmp electric între cele două plăci sau foi de conductori. Deoarece lucrul mecanic modifică energia potențială electrică stocată în condensator, se poate considera că energia este stocată într-un câmp electric.
Următoarea formulă demonstrează matematic relația dintre energia potențială electrică și câmpul electric.
În articolul despre condensatorul cu plăci paralele, a fost derivată formula C = Aεo / d, iar în articolul despre potențialul electric a fost enunțată formula V = Ed. Anterior, formula a fost derivată din energia potențială electrică stocată în condensator, PE = 1/2 CV².
PE = energia potențială electrică, A = aria suprafeței, d = distanța, A d = volumul, E = câmpul electric, PE / A d = energia 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 între cele două plăci sau foi ale conductorului există un dielectric, atunci εo (permitivitatea vidului) 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.
