Nyenzo ya kuhifadhi nishati ya umeme katika capacitors
Kapicha imeundwa na sahani/shuka mbili za kondakta na kati ya kondakta hizo mbili kuna dielectric . Hapo awali, kondakta zote mbili hazijachajiwa kwa umeme. Ili kapicha ifanye kazi, kila sahani/shuka ya kondakta lazima iwe na chaji ya umeme, ambapo kiasi cha chaji ya umeme kwenye kila kondakta ni sawa lakini aina tofauti. Kwa mfano, kondakta mmoja ana chaji ya Q = +10 Coulomb kisha kondakta mwingine ana chaji ya Q = -10 Coulomb. Uwepo wa ukubwa sawa lakini aina tofauti za chaji ya umeme kwenye kondakta zote mbili huunda uwanja wa umeme kati ya sahani mbili za kondakta, ambapo mwelekeo wa uwanja wa umeme ni kutoka chaji chanya hadi chaji hasi. Kwa kuongezea, tofauti ya uwezo wa umeme pia hutokea kati ya kondakta hizo mbili, ambapo kondakta aliyechajiwa kwa chanya ana uwezo mkubwa wa umeme huku kondakta aliyechajiwa kwa chanya akiwa na uwezo mdogo wa umeme.
Ili kuchaji kondakta zote mbili, zimeunganishwa na chanzo cha umeme, kama vile betri au chanzo kingine cha umeme. Hapo awali, kondakta zote mbili hazina upande wowote, zikiwa na idadi sawa ya elektroni zenye chaji hasi na protoni zenye chaji chanya. Kisha elektroni huhamishwa kutoka kwa kondakta mmoja hadi mwingine, na kusababisha kondakta kupoteza elektroni kuwa chaji chanya na kondakta anayepata elektroni kuwa chaji hasi. Idadi ya elektroni zinazohamishwa ni sawa na idadi ya elektroni zilizopokelewa, na kusababisha kila kondakta kuwa na chaji sawa ya umeme. Ikumbukwe kwamba wakati capacitor imeunganishwa na betri, betri hufanya kazi kama kondakta, ikihamisha elektroni kutoka kwa kondakta mmoja hadi mwingine.
Kondakta mmoja ameunganishwa na nguzo hasi na kondakta mwingine ameunganishwa na nguzo chanya. Uwepo wa tofauti ya uwezo wa umeme (V) kati ya vituo viwili vya betri husababisha uhamisho wa elektroni (q) kutoka kwa kondakta mmoja hadi mwingine. Uhamisho wa elektroni husimama mara tu tofauti ya uwezo kati ya kondakta wawili ikiwa sawa na tofauti ya uwezo wa betri. Hapo awali, wakati kondakta hazijachajiwa kwa umeme, hakuna kazi inayohitajika ili kuhamisha elektroni. Mara tu kuna chaji ya umeme kwa kila kondakta, kazi inahitajika ili kuhamisha elektroni. Kadiri chaji ya umeme inavyokuwa kubwa kwa kila kondakta, ndivyo kazi inavyohitajika ili kuhamisha elektroni kutokana na nguvu ya kurudisha nyuma kati ya elektroni.
Uhamisho wa elektroni kutoka kwa kondakta mmoja hadi mwingine haufanyiki kwa wakati mmoja bali polepole ili volteji ya umeme kati ya kondakta hizo mbili pia iongezeke polepole. Kwa hivyo ili kuhesabu jumla ya kazi (W) wakati wa uhamishaji wa elektroni, thamani ya wastani ya volteji (V/2) hutumika. Kwa hivyo kazi inayofanywa ili kusogeza elektroni ni W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Kwa sababu kazi ya kusogeza elektroni hubadilika kuwa nishati ya uwezo wa umeme iliyohifadhiwa kwenye capacitor, nishati ya uwezo wa umeme iliyohifadhiwa kwenye capacitor ni EP = 1/2 Q V. Kwa sababu Q = CV, fomula EP = 1/2 QV inaweza kubadilishwa kuwa EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 na EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Taarifa: Q = chaji ya umeme, C = capacitance, V = volteji ya umeme.
Nishati ya umeme katika uwanja wa umeme
Wakati wa mchakato wa kuchaji, kila kondakta anapoanza kuchaji, uwanja wa umeme huundwa kati ya sahani/shuka mbili za kondakta. Kwa hivyo, kazi inayofanywa sio tu husababisha kondakta kuchajiwa kwa umeme, lakini pia kwa njia isiyo ya moja kwa moja huunda uwanja wa umeme kati ya sahani/shuka mbili za kondakta. Kwa sababu kazi hiyo hubadilishwa kuwa nishati inayowezekana ya umeme iliyohifadhiwa kwenye capacitor, inaweza kuzingatiwa kuwa nishati huhifadhiwa ndani ya uwanja wa umeme.
Fomula ifuatayo imetokana ili kuthibitisha kihisabati uhusiano kati ya nishati ya umeme na uga wa umeme.
Katika makala yenye kichwa cha habari capacitors sambamba plate, fomula C = A ε o /s imetolewa na katika makala yenye kichwa umeme potential, fomula V = E s imetajwa. Hapo awali, fomula ya nishati ya umeme potential iliyohifadhiwa kwenye capacitor imetolewa, yaani EP = 1/2 CV 2.
Maelezo ya fomula: EP = nishati ya uwezo wa umeme, A = eneo la uso, s = umbali, A s = ujazo, E = uwanja wa umeme, EP/A s = nishati ya uwezo wa umeme kwa kila kitengo ujazo = msongamano wa nishati.
Fomula hapo juu inasema kwamba nishati ya uwezo wa umeme kwa kila kitengo cha ujazo wa nafasi katika uwanja wa umeme ni sawia na mraba wa uwanja wa umeme. Ikiwa kuna dielektriki kati ya sahani/shuka mbili zinazopitisha umeme, basi ε o (uruhusuji wa nafasi huru) hubadilishwa na uruhusuji wa nyenzo (ε). Ingawa mlinganyo huu wa msongamano wa nishati hutolewa kwa kutumia mlinganyo wa capacitor wa sahani sambamba, mlinganyo huu pia unatumika kwa nafasi zote zilizo na uwanja wa umeme.
