Энергия_электрического_поля_зарядов_и_конденсаторов

Энергия_электрического_поля_зарядов_и_конденсаторов

Энергия электрического поля зарядов и конденсаторов

«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:  Молдинг_ветрового_стекла_универсальный

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

28. Электроемкость. Конденсаторы и их соединение. Энергия электрического поля заряженного конденсатора. Виды конденсаторов.

Электроемкость

Электроемкость уединенного проводника – отношение заряда проводника к его потенциалу.

Электроемкость характеризует способность тела накапливать электрические заряды.При большой электроемкоститело может накопить большой заряд при небольшом значении потенциала.

Единица измерения электроемкости Фарад, Ф.

Конденсатор – система двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

две параллельные проводящие пластины, расположенные параллельно и разделенные

Электрическое поле заряженного конденсатора

Вне пластин напряженность поля равна нулю

Напряженность поля внутри плоского конденсатора вдвое больше напряженности поля одной пластины

Напряженность поля внутри плоского конденсатора вдвое больше напряженности поля одной пластины

Читайте также:  Котел_на_улице_для_бани

Электроемкость конденсатора – отношение заряда на одной из обкладок к разности потенциалов между пластинами.

Для однородного поля внутри конденсатора напряженность поля и разность потенциалов между обкладками связаны соотношением

электроемкость плоского конденсатора определятся формулой

Энергия заряженного конденсатора

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

При последовательном соединении емкость конденсаторов уменьшается

При параллельном соединении емкость конденсаторов увеличивается

29. Физические основы проводимости металлов. Постоянный электрический ток, его

характеристики. Закон Ома для участка цепи.

Согласно классической электронной теории,электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла.

Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев силы притяжения со стороны кристаллической решетки. Минимальная энергия, необходимая электрону для того, чтобы покинуть металл, называется работой выхода.

Допущения классической электронной теории являются весьма приближенными, однако она объясняетзаконы электрического тока в металлических проводниках.

При прохождении тока по проводнику переноса вещества не происходит

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов.

При прохождении электрического тока через вещество всегда проявляется его магнитное действие. Могут проявляться также химическое и тепловое действия тока.

Направлением электрического тока считается направ­ление упорядоченного движения положительно заряженных частиц.

Если ток образован движением отрицательных зарядов (например, электронов), то направление тока противоположно направлению движения частиц.

Ток течет в сторону убывания потенциала.

Силой тока называется скалярная физическая величина I, равная элек­трическому заряду, который переносится через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

где Δqзаряд, который переносится сквозь поперечное сечение проводника за время Δt.

В самом общем случае сила тока определяется как производная от электрического заряда по времени.

Единица измерения силы тока Ампер, А – основная единица в системе СИ

Читайте также:  Почему_не_загружается_видео_в_браузере

Измерения показывают, что в металлах скорость электронов мала – порядка 10 -5 м/с (для меди).

Условие протекания постоянного тока на участке электрической цепи: – наличие постоянной разности потенциалов (напряжения) на этом участке.

Энергия электрического поля зарядов и конденсаторов

Опыт показывает, что заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δ > 0 с одной обкладки на другую (рис. 1.7.1). При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд , а между ними существует некоторая разность потенциалов при переносе каждой порции Δ внешние силы должны совершить работу

Энергия конденсатора емкости , заряженного зарядом , может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до :

Рисунок 1.7.1.

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением = .

Электрическую энергию следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе. Формулы для аналогичны формулам для потенциальной энергии деформированной пружины (см. ч. I, § 2.4)

где – жесткость пружины, – деформация, = – внешняя сила.

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля. Это легко проиллюстрировать на примере заряженного плоского конденсатора.

Напряженность однородного поля в плоском конденсаторе равна = /, а его емкость Поэтому

где = – объем пространства между обкладками, занятый электрическим полем. Из этого соотношения следует, что физическая величина

является электрической (потенциальной) энергией единицы объема пространства, в котором создано электрическое поле. Ее называют объемной плотностью электрической энергии .

Энергия поля, созданного любым распределением электрических зарядов в пространстве, может быть найдена путем интегрирования объемной плотности по всему объему, в котором создано электрическое поле.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector