Энергию заряженного конденсатора вычисляют по формуле

Энергию заряженного конденсатора вычисляют по формуле

Прочитав условие задачи становится ясно, что С = 10 -4 , U = 40.

«Физика — 10 класс»

Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией.
Вычислить энергию заряженного плоского конденсатора с однородным полем внутри него несложно.

Энергия заряженного конденсатора.

Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов.
Согласно закону сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора.
В том, что заряженный конденсатор обладает энергией, можно убедиться, если разрядить его через цепь, содержащую лампу накаливания, рассчитанную на напряжение в несколько вольт (рис.14.37).
При разрядке конденсатора лампа вспыхивает.
Энергия конденсатора превращается в тепло и энергию света.

Выведем формулу для энергии плоского конденсатора.

Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна Е/2, где Е — напряженность поля в конденсаторе.
В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по поверхности другой пластины (рис.14.38).

Согласно формуле (14.14) для потенциальной энергии заряда в однородном поле энергия конденсатора равна:

где q — заряд конденсатора, а d — расстояние между пластинами.

Так как Ed=U, где U — разность потенциалов между обкладками конденсатора, то его энергия равна:

Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин вплотную.

Если заряд на пластинах остаётся постоянным, при сближении пластин поле совершает положительную работу:

При этом энергия электрического поля уменьшается.

Заменив в формуле (14.25) разность потенциалов или заряд с помощью выражения (14.22) для электроемкости конденсатора, получим:

Можно доказать, что эти формулы справедливы для любого конденсатора, а не только для плоского.

Энергия электрического поля.

Согласно теории близкодействия вся энергия взаимодействия заряженных тел сконцентрирована в электрическом поле этих тел.
Значит, энергия может быть выражена через основную характеристику поля — напряженность.

Так как напряженность электрического поля прямо пропорциональна разности потенциалов (U=Ed), то согласно формуле

энергия конденсатора прямопропорциональна квадрату напряженности электрического поля внутри него:

.

Зависимость электроемкости конденсатора от расстояния между его пластинами используется при создании одного из типов клавиатур компьютера.
На тыльной стороне каждой клавиши располагается одна пластина конденсатора, а на плате, расположенной под клавишами, — другая.
Нажатие клавиши изменяет емкость конденсатора.
Электронная схема, подключенная к этому конденсатору, преобразует сигнал в соответствующий код, передаваемый в компьютер.

Читайте также:  Как найти сгоревший элемент на плате

Энергия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей.
К тому же она не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда.
Поэтому заряженные конденсаторы не могут заменить, например, аккумуляторы в качестве источников электрической энергии.

Но это совсем не означает, что конденсаторы как накопители энергии не получили практического применения.
Они имеют одно важное свойство: конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длительное время, а при разрядке через цепь с малым сопротивлением они отдают энергию почти мгновенно.
Именно это свойство широко используют на практике.

Лампа-вспышка, применяемая в фотографии, питается электрическим током разряда конденсатора, заряжаемого предварительно специальной батареей.
Возбуждение квантовых источников света — лазеров осуществляется с помощью газоразрядной трубки, вспышка которой происходит при разрядке батареи конденсаторов большой электроемкости.

Однако основное применение конденсаторы находят в радиотехнике.

Энергия конденсатора пропорциональна его электроемкости и квадрату напряжения между пластинами. Вся эта энергия сосредоточена в электрическом поле. Энергия поля пропорциональна квадрату напряженности поля.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Любая частица с электрическим зарядом изменяет свойства окружающего пространства. Аналогичный эффект можно наблюдать при прохождении тока через проводник. Образованное поле характеризуется особым распределением силовых линий. Его энергетические параметры используют для решения различных практических задач.

Напряженность электрического поля

Энергия поля отличается в разных точках. Для оценки силовых характеристик можно изучить воздействие, которое оказывается на частицы с определенным зарядом (q). В соответствии с базовыми определениями закона Кулона основные зависимости определяются следующим образом:

В этой формуле «E» обозначает величину силы, оказывающей π влияние на рассматриваемый заряд в определенной точке пространства. Данный параметр определяет напряженность поля.

Энергия в электростатическом поле

Для объективной оценки силовых параметров изучают воздействия на заряженные тела. Чтобы упростить задачу, можно рассмотреть уединенный проводник, не подверженный внешним влияниям. Для этого случая потенциал (ϕ) будет прямо пропорционален величине заряда (q):

Читайте также:  Как утеплить кладовку в частном доме

ϕ =q/C, где C – емкость.

Единица измерения – фарад.

При увеличении рабочего элемента следует учесть соответствующие объемные геометрические изменения. Емкость поляризованного шара вычисляют следующим образом:

где:

  • e0 – постоянная = 8,85*10-12 Ф/м, определение электрической проницаемости идеальной среды (вакуума);
  • R – радиус.

Как измениться проницаемость в реальных условиях, показывает поправочный коэффициент «e». Соответствующие коррекции можно сделать в представленной формуле:

С = 4π * e0 * e * R.

К сведению. На этом этапе надо сделать важный промежуточный вывод: емкость (накопленная энергия эл поля) увеличиться при соответствующем изменении параметров среды.

Научными исследованиями и практическими экспериментами подтверждены следующие особенности:

  • вектор напряженности поля направляется в сторону от положительного заряда;
  • в реальных условиях приходится учитывать силы взаимодействия зарядов и силовых линий;
  • при близком размещении двух пластин с разными зарядами обеспечивается равномерность поля.

Электрическое поле в конденсаторе

На практике не часто применяют емкость уединенных проводников. В реальных условиях приходится учитывать взаимные влияния полей и зарядов. Для решения конкретных задач удобнее использовать конструкции с равномерным распределением силовых линий и выводами для подключения к источнику питания.

Типичный пример такого изделия – плоский конденсатор. Его емкость можно рассчитать по формуле:

C = Q/ (ϕ1-ϕ2) = Q/U = (e * e0 * S)/d,

где:

  • ϕ1-ϕ2 – разница потенциалов;
  • U – напряжение;
  • e – электрическая проницаемость среды (диэлектрика) между пластинами;
  • S – площадь рабочих элементов;
  • d – расстояние между обкладками.

В этой конструкции специальное расположение рабочих элементов минимизирует воздействие внешней среды. Базовый принцип – площадь пластин (обкладок) должна быть намного больше промежутка между ними. Для упрощения можно подробно изучить конденсатор с воздушным слоем. Для этого случая e = 1, поэтому соответствующий компонент можно устранить из расчетов.

Положительный и отрицательный заряды равны по значениям, но принимаются с разными знаками для обеспечения разницы потенциалов. Напряженность для каждой пластины можно выразить через следующие параметры:

где P = q/S – поверхностная плотность, определяющая концентрацию заряда на рабочих обкладках.

При векторном представлении несложно понять взаимную компенсацию сил, которые действуют за пределами рабочей зоны:

Читайте также:  Как сделать жалюзи из обоев пошагово

Обратная ситуация – между пластинами:

Ераб = Е+ + Е- = P/e0 = q/(S* e0).

Здесь происходит удвоение силовых параметров поля.

В реальных условиях пластины не могут быть бесконечно большими. В некоторых ситуациях приходится учитывать искажения поля за счет «краевых» эффектов. Тем не менее, представленные выше формулы и отношения вполне пригодны для выполнения многих практических расчетов. Существенные коррекции нужно делать при работе с сигналами СВЧ. В типовых сетях (50 Гц) и в границах радиочастотного диапазона соответствующими минимальными искажениями можно пренебречь.

Энергия заряженного конденсатора

Оценить рабочие параметры этого накопительного элемента можно с применением разных методик. Простейший способ – анализ сближения разноименно заряженных пластин. Это перемещение обеспечивает сила (F), прямо пропорциональная величине заряда (q) и напряженности (E):

Добавив E = q/(2*e0*S), получают формулу физики для оценки взаимодействия:

Так как работа (A) равна произведению силы (F) на пройденное расстояние (d – дистанция между пластинами), энергия электрического поля конденсатора вычисляется без большого труда:

W = A = F * d = d *q2/(2*e0*S).

С учетом емкости C = d /(e0*S) после элементарных математических преобразований можно получить итоговую формулу:

Объемная плотность электрической энергии

Рассмотренные выше зависимости и формулы можно преобразовать, чтобы уточнить влияние связанных параметров на энергетический потенциал определенной конструкции:

  • W = ½ (C * U2) = d *q2/(2*e0*S) = ((e0 * E2)/2) * S*d;
  • однако произведение S*d равно объему (V);
  • таким образом, исходное выражение для расчета приобретает вид:

По итоговому варианту становится понятным, сколько энергии электрического поля сосредоточено внутри определенного объема. Исходя из того можно сделать вывод о наличии соответствующих свойств самого поля. Теоретические знания подтверждены расчетами. Для оценки эффективности конкретных изделий применяют удельный показатель (объемную плотность) w = W/V = (e0 * E2)/2. При заполнении диэлектриком формулы дополняют соответствующими данными электрической проницаемости (e).

Вектора магнитной индукции (В) и напряженности (Е) формируют электромагнитное поле. Для расчета силы, перемещающей соленоид, надо учитывать силовые компоненты в совокупности. Соответствующие коррекции делают при создании колебательного контура. Максимальный энергетический потенциал можно получить с помощью увеличения диэлектрической проницаемости слоя между обкладками конденсатора.

Видео

Ссылка на основную публикацию
Элементарные частицы строения атома изотопы изобары
Отсюда видно, что практически вся масса атома сосредоточена в яд­ре, которое почти в 100 000 раз меньше размера атома. Ядро...
Электро рулонные шторы на пластиковые окна
Основой для жалюзи с электроприводом становятся все виды жалюзи: горизонтальные вертикальные рулонные плиссе Дополнением является установка системы механизации. Теперь нет...
Электро цепь лампочка выключатель
Опубликовано Артём в 09.03.2019 09.03.2019 Всем, кто так или иначе сталкивался с ремонтом дома, знакома проблема проведения электропроводки. Часто необходимость...
Элеш с курицей рецепт с фото
Ингредиенты Мука пшеничная – 600 г Сливочное масло – 70 г Растительное масло – 100 мл. Вода кипяченая – 50...
Adblock detector