Materiali i ruajtjes së energjisë elektrike në kondensatorë
Një kondensator përbëhet nga dy pllaka/fletë përçuesish dhe midis dy përçuesve ekziston një dielektrik . Fillimisht, të dy përçuesit nuk janë të ngarkuar elektrikisht. Që kondensatori të funksionojë, çdo pllakë/fletë përçuesi duhet të jetë e ngarkuar elektrikisht, ku sasia e ngarkesës elektrike në secilin përçues është e njëjtë, por e llojeve të ndryshme. Për shembull, një përçues ka një ngarkesë prej Q = +10 Kulomb, atëherë përçuesi tjetër ka një ngarkesë prej Q = -10 Kulomb. Prania e të njëjtës madhësi, por e llojeve të kundërta të ngarkesës elektrike në të dy përçuesit krijon një fushë elektrike midis dy pllakave përçuese, ku drejtimi i fushës elektrike është nga ngarkesa pozitive në ngarkesën negative. Përveç kësaj, lind edhe një ndryshim potenciali elektrik midis dy përçuesve, ku përçuesi i ngarkuar pozitivisht ka një potencial elektrik më të lartë, ndërsa përçuesi i ngarkuar negativisht ka një potencial elektrik më të ulët.
Për të ngarkuar të dy përçuesit, ata lidhen me një burim energjie, siç është një bateri ose një burim tjetër energjie. Fillimisht, të dy përçuesit janë neutralë, me një numër të barabartë elektronesh të ngarkuara negativisht dhe protonesh të ngarkuara pozitivisht. Elektronet transferohen më pas nga një përçues në tjetrin, duke rezultuar në humbjen e elektroneve nga përçuesi që ngarkohet pozitivisht dhe në fitimin e elektroneve nga përçuesi që ngarkohet negativisht. Numri i elektroneve të transferuara është i barabartë me numrin e elektroneve të marra, duke rezultuar në të njëjtën ngarkesë elektrike nga secili përçues. Duhet të theksohet se kur një kondensator është i lidhur me një bateri, bateria vepron si një përçues, duke transferuar elektrone nga një përçues në tjetrin.
Njëri përçues është i lidhur me polin negativ dhe përçuesi tjetër është i lidhur me polin pozitiv. Prania e një diference potenciali elektrik (V) midis dy terminaleve të baterisë shkakton transferimin e elektroneve (q) nga njëri përçues në tjetrin. Transferimi i elektroneve ndalet sapo diferenca potenciale midis dy përçuesve është e barabartë me diferencën potenciale të baterisë. Fillimisht, kur përçuesit nuk janë të ngarkuar elektrikisht, nuk kërkohet punë për të lëvizur elektronet. Pasi të ketë një ngarkesë elektrike në secilin përçues, kërkohet punë për të lëvizur elektronet. Sa më e madhe të jetë ngarkesa elektrike në secilin përçues, aq më e madhe është puna e nevojshme për të lëvizur elektronet për shkak të forcës shtytëse midis elektroneve.
Transferimi i elektroneve nga një përçues në tjetrin nuk ndodh njëkohësisht, por gradualisht, kështu që tensioni elektrik midis dy përçuesve rritet gjithashtu gradualisht. Pra, për të llogaritur punën totale (W) gjatë transferimit të elektroneve, përdoret vlera mesatare e tensionit (V/2). Pra, puna e bërë për të lëvizur elektronet është W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Meqenëse puna për të lëvizur elektronet ndryshon në energji potenciale elektrike të ruajtur në kondensator, energjia potenciale elektrike e ruajtur në kondensator është EP = 1/2 Q V. Meqenëse Q = CV, formula EP = 1/2 QV mund të ndryshohet në EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 dhe EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Informacion: Q = ngarkesë elektrike, C = kapacitet, V = tension elektrik.
Energjia elektrike në një fushë elektrike
Gjatë procesit të karikimit, kur secili përcjellës fillon të karikohet, krijohet një fushë elektrike midis dy pllakave/fletave të përcjellësit. Prandaj, puna e kryer jo vetëm që shkakton ngarkimin elektrik të përcjellësit, por edhe në mënyrë indirekte krijon një fushë elektrike midis dy pllakave/fletave të përcjellësit. Meqenëse puna shndërrohet në energji potenciale elektrike të ruajtur në kondensator, mund të konsiderohet se energjia ruhet brenda fushës elektrike.
Formula e mëposhtme nxirret për të vërtetuar matematikisht marrëdhënien midis energjisë potenciale elektrike dhe fushave elektrike.
Në artikullin e titulluar Kondensatorët me pllaka paralele, është nxjerrë formula C = A ε o /s dhe në artikullin e titulluar potenciali elektrik, është dhënë formula V = E s. Më parë, është nxjerrë formula për energjinë potenciale elektrike të ruajtur në një kondensator, përkatësisht EP = 1/2 CV 2.
Përshkrimi i formulës: EP = energji potenciale elektrike, A = sipërfaqe, s = distancë, A s = vëllim, E = fushë elektrike, EP/A s = energji potenciale elektrike për njësi vëllimi = dendësia e energjisë.
Formula e mësipërme pohon se energjia potenciale elektrike për njësi vëllimi të hapësirës në një fushë elektrike është proporcionale me katrorin e fushës elektrike. Nëse ekziston një dielektrik midis dy pllakave/fletave përçuese, atëherë ε o (permitiviteti i hapësirës së lirë) zëvendësohet me permitivitetin e materialit (ε). Edhe pse ky ekuacion i dendësisë së energjisë nxirret duke përdorur ekuacionin e kondensatorit të pllakës paralele, ky ekuacion vlen edhe për të gjitha hapësirat që kanë një fushë elektrike.
