Nishati ya umeme huhifadhiwa kwenye capacitors

Makala kuhusu Nishati ya Umeme iliyohifadhiwa katika capacitors

Kifaa cha kutolea umeme kinaundwa na sahani za kondakta mbili na, kati ya kondakta hizo mbili, kuna dielectric. Mwanzoni, kondakta hizo mbili hazina upande wowote wa umeme. Ili kifaa cha kutolea umeme kifanye kazi, kila bamba au karatasi ya kondakta lazima iwe na chaji ya umeme, ambapo kiasi cha chaji ya umeme katika kila kondakta ni sawa lakini tofauti katika aina. Tuseme kwamba moja ya kondakta zilizochajiwa ni Q = +10 Coulomb , kondakta mwingine ni Q = -10 Coulomb. Kuwepo kwa aina moja kubwa lakini kinyume cha chaji ya umeme katika kondakta zote mbili hutoa uwanja wa umeme kati ya sahani mbili za kondakta, ambapo mwelekeo wa uwanja wa umeme ni kutoka chaji chanya hadi chaji hasi. Kwa kuongezea, pia kuna tofauti ya uwezo wa umeme kati ya kondakta hizo mbili, ambapo kondakta zilizochajiwa vyema zina uwezo wa juu wa umeme huku kondakta zilizochajiwa vibaya zikiwa na uwezo mdogo wa umeme.

Ili kondakta zote mbili ziweze kuchajiwa kwa umeme, kondakta hizo mbili huunganishwa na chanzo cha umeme, kama vile betri au chanzo kingine cha umeme. Mwanzoni, kondakta hizo mbili hazina upande wowote, ambapo idadi ya elektroni zenye chaji hasi na protoni zenye chaji chanya ni sawa. Kisha elektroni huhamishwa kutoka kwa kondakta hadi kwa kondakta mwingine ili kondakta anayepoteza elektroni aweze kuchajiwa vyema na kondakta anayepokea elektroni aweze kuchajiwa vibaya. Idadi ya elektroni zinazohamishwa ni sawa na idadi ya elektroni zilizopokelewa ili kila kondakta awe na chaji sawa ya umeme. Kumbuka kwamba wakati capacitor imeunganishwa na betri, betri hufanya kazi ya kuhamisha elektroni kutoka kwa kondakta mmoja hadi mwingine.

Mojawapo ya kondakta imeunganishwa na nguzo hasi na kondakta mwingine imeunganishwa na nguzo chanya. Kuwepo kwa tofauti ya uwezo wa umeme (V) kati ya nguzo mbili za betri husababisha mwendo wa elektroni (q) kutoka kwa kondakta mmoja hadi mwingine. Mwendo wa elektroni husimama baada ya tofauti ya uwezo kati ya kondakta wawili kuwa sawa na tofauti ya uwezo wa betri. Mwanzoni, wakati kondakta hajachajiwa kwa umeme, hakuna kazi inayohitajika ili kuhamisha elektroni. Baada ya kuwa na chaji ya umeme kwa kila kondakta, inachukua kazi ili kuhamisha elektroni. Kadiri chaji ya umeme inavyokuwa kubwa katika kila kondakta, ndivyo kazi ya kuhamisha elektroni inavyokuwa kubwa kutokana na nguvu ya kurudisha nyuma kati ya elektroni.

Mwendo wa elektroni kutoka kwa kondakta mmoja hadi mwingine hautokei 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 umeme, thamani ya wastani ya volteji (V/2) hutumika. Kwa hivyo, kazi inayofanywa kuhamisha elektroni ni W = Q (V/2) = 1/2 Q V.

Kwa sababu kazi ya kusogeza elektroni hubadilisha nishati ya uwezo wa umeme iliyohifadhiwa kwenye capacitor, nishati ya uwezo wa umeme iliyohifadhiwa kwenye capacitor ni PE = 1/2 Q V.

Kwa kuwa Q = CV, fomula PE = 1/2 QV inaweza kubadilishwa kuwa PE = 1/2 QV = 1/2 (CV) (V) = 1/2 CV ² na PE = 1/2 QV = 1/2 (Q) (Q/C) = 1/2 Q ² / C. Ambapo Q = chaji ya umeme, C = uwezo, V = volteji ya umeme.

Nishati ya umeme katika uwanja wa umeme

Wakati wa mchakato wa kujaza chaji, kila kondakta anapoanza kuchajiwa kwa umeme, kati ya sahani au shuka mbili, uwanja wa umeme hutokea. Kwa hivyo, kazi hiyo inafanywa, pamoja na kumfanya kondakta kuchajiwa kwa umeme, pia ikiwasilisha uwanja wa umeme kati ya sahani au shuka mbili za kondakta kwa njia isiyo ya moja kwa moja. Kwa sababu kazi hubadilika hadi nishati inayowezekana ya umeme iliyohifadhiwa kwenye capacitor, inaweza kuzingatiwa kuwa nishati huhifadhiwa katika uwanja wa umeme.

Fomula ifuatayo inathibitisha kihisabati uhusiano kati ya nishati ya uwezo wa umeme na uwanja wa umeme.

Katika makala kuhusu kapa ya bamba sambamba, fomula C = A ε _o / d imetolewa na makala kuhusu uwezo wa umeme imesema fomula V = E d. Hapo awali, fomula hiyo imetolewa kutoka kwa nishati ya uwezo wa umeme iliyohifadhiwa kwenye kapa, PE = 1/2 CV ².

PE = nishati ya uwezo wa umeme, A = eneo la uso, d = umbali, A d = ujazo, E = uwanja wa umeme, PE / A d = nishati ya uwezo wa umeme kwa kila kitengo ujazo = msongamano wa nishati.

Fomula iliyo 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 kati ya sahani mbili au karatasi za kondakta kuna dielectric, basi εo (uvumilivu wa utupu) hubadilishwa na uvumilivu wa nyenzo (ε). Ingawa mlinganyo huu wa msongamano wa nishati hutolewa kwa kutumia mlinganyo wa capacitor ya sahani sambamba, mlinganyo huu pia unatumika kwa nafasi zote zilizo na uwanja wa umeme.