Material för lagring av elektrisk energi i kondensatorer
En kondensator består av två plattor/skikt av ledare och mellan de två ledarna finns ett dielektrikum . Ursprungligen är båda ledarna inte elektriskt laddade. För att kondensatorn ska fungera måste varje platta/skikt av ledare vara elektriskt laddad, där mängden elektrisk laddning på varje ledare är densamma men av olika typer. Till exempel har en ledare en laddning på Q = +10 Coulomb medan den andra ledaren har en laddning på Q = -10 Coulomb. Närvaron av samma magnitud men motsatta typer av elektrisk laddning på båda ledarna skapar ett elektriskt fält mellan de två ledarplattorna, där det elektriska fältets riktning är från den positiva laddningen till den negativa laddningen. Dessutom uppstår en elektrisk potentialskillnad mellan de två ledarna, där den positivt laddade ledaren har en högre elektrisk potential medan den negativt laddade ledaren har en lägre elektrisk potential.
För att ladda båda ledarna ansluts de till en strömkälla, såsom ett batteri eller annan strömkälla. Ursprungligen är båda ledarna neutrala, med lika många negativt laddade elektroner och positivt laddade protoner. Elektroner överförs sedan från den ena ledaren till den andra, vilket resulterar i att ledaren som förlorar elektroner blir positivt laddad och ledaren som tar emot elektroner blir negativt laddad. Antalet överförda elektroner är lika med antalet mottagna elektroner, vilket resulterar i att varje ledare har samma elektriska laddning. Det bör noteras att när en kondensator är ansluten till ett batteri fungerar batteriet som en ledare och överför elektroner från den ena ledaren till den andra.
En ledare är ansluten till den negativa polen och den andra ledaren är ansluten till den positiva polen. Närvaron av en elektrisk potentialskillnad (V) mellan de två batteripolerna orsakar överföring av elektroner (q) från en ledare till den andra. Överföringen av elektroner upphör när potentialskillnaden mellan de två ledarna är lika med batteriets potentialskillnad. Inledningsvis, när ledarna inte är elektriskt laddade, krävs inget arbete för att flytta elektroner. När det väl finns en elektrisk laddning på varje ledare krävs arbete för att flytta elektroner. Ju större elektrisk laddning på varje ledare är, desto större arbete krävs för att flytta elektroner på grund av den repellerande kraften mellan elektronerna.
Överföringen av elektroner från en ledare till en annan sker inte samtidigt utan gradvis, så att den elektriska spänningen mellan de två ledarna också ökar gradvis. För att beräkna det totala arbetet (W) under elektronöverföringen används alltså medelspänningsvärdet (V/2). Arbetet som utförs för att förflytta elektroner är W = Q (V/2) = 1/2 Q/V. Eftersom arbetet som utförs för att förflytta elektroner omvandlas till elektrisk potentiell energi lagrad i kondensatorn, är den elektriska potentiella energin som lagras i kondensatorn EP = 1/2 Q/V. Eftersom Q = CV kan formeln EP = 1/2 QV ändras till EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV/ 2 och EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q / C. Information: Q = elektrisk laddning, C = kapacitans, V = elektrisk spänning.
Elektrisk energi i ett elektriskt fält
Under laddningsprocessen, när varje ledare börjar laddas, skapas ett elektriskt fält mellan de två ledarplattorna/arken. Därför orsakar arbetet som utförs inte bara att ledaren blir elektriskt laddad, utan skapar också indirekt ett elektriskt fält mellan de två ledarplattorna/arken. Eftersom arbetet omvandlas till elektrisk potentiell energi som lagras i kondensatorn, kan man anse att energi lagras i det elektriska fältet.
Följande formel härleds för att matematiskt bevisa sambandet mellan elektrisk potentiell energi och elektriska fält.
I artikeln med titeln Parallellplattkondensatorer har formeln C = A ε o /s härletts och i artikeln med titeln Elektrisk potential har formeln V = E s angetts. Tidigare har formeln för den elektriska potentiella energin som lagras i en kondensator härletts, nämligen EP = 1/2 CV 2.
Formelbeskrivning: EP = elektrisk potentiell energi, A = ytarea, s = avstånd, A s = volym, E = elektriskt fält, EP/A s = elektrisk potentiell energi per volymenhet = energitäthet.
Formeln ovan anger att den elektriska potentiella energin per volymenhet i ett elektriskt fält är proportionell mot kvadraten på det elektriska fältet. Om det finns ett dielektrikum mellan de två ledande plattorna/skikten, ersätts ε₂ ( permittiviteten för det fria rummet) med materialets permittivitet (ε). Även om denna energitäthetsekvation härleds med hjälp av ekvationen för parallella plattkondensatorer, gäller denna ekvation även för alla utrymmen som har ett elektriskt fält.
