Энергия электрического поля
Энергия электрического поля
Каждый заряженный объект создает вокруг себя электростатическое поле. Есть существенные различия по сравнению с гравитационными полями. Гравитация – это притяжение. Электрическая сила также может быть силой отталкивания.
Начисление баллов EP
Напряженность электрического поля
Напряженность (называемая напряженностью) характеризует электрическое поле, показывая силу, действующую на пробный заряд. По формуле она равна отношению этой силы к заряду:
Сила F = (kx Q xq)/r², где:
- k = 1/4πε – постоянный коэффициент;
- r — расстояние от одного заряда до другого.
Тогда E = (kx Q xq)/(r²x q) = (kx Q)/r² (Q — заряд источника поля).
Если поле вызвано не одним, а несколькими источниками, то необходимо учитывать суперпозицию полей. В этом случае вычисляется напряжение, создаваемое отдельными зарядами, и для нахождения универсального вектора необходимо найти геометрическую сумму векторов.
Работа в электростатическом поле
Любой заряд Q вызовет электрический шок. На расстоянии r1 находится пробный заряд q, на который действует кулоновская сила F.
если заряд переместится с расстояния r1 на r2, работа перемещения будет равна:
A = F x S x cos α, где α — угол между вектором силы и вектором сдвига.
в этом случае значение угла может составлять 0° или 180°, а cosα=1 или -1.
Если подставить значения S = r1 – r2, то рабочая формула примет вид:
А = ((kx Q xq)/(r1 x r2)) x (r1 — r2) = (kx Q xq) x (1/r1 — 1/r2).
Важно! Как и в случае с работой в гравитационном поле, эта формула показывает, что работа, совершаемая EF, зависит только от начального и конечного расстояния от источника поля.
Энергия в электростатическом поле
Энергия электрического поля рассчитывается с использованием хорошо известной концепции, согласно которой разность потенциалов между двумя точками представляет собой работу, совершаемую зарядом, перемещающимся из одной точки в другую.
Чтобы вычислить потенциальную энергию в конкретной точке, необходимо переместить точечный заряд из места, где потенциальная энергия равна нулю, в электрическое поле.
Поскольку энергия определяет способность совершать работу, а энергия поля равна нулю в точке наибольшего удаления от источника, следовательно:
Читайте также статью: Как вырастить дерево из косточек мандарина
W = (kx Q xq) x (1/∞ — 1/r) = (kx Q xq)/r — формула точечного заряда.
Важно! Выберите положительное или отрицательное значение потенциальной энергии, основанное на притяжении или отталкивании точечных зарядов.
Электрическое поле в конденсаторе
Конденсаторы могут хранить энергию, удерживая пару противоположных зарядов. Эти устройства поддерживают баланс заряда. Если одна пластина хранит 1 кулон положительного заряда, другая пластина будет стремиться иметь 1 кулон отрицательного заряда, в результате чего общий заряд на обеих пластинах будет равен нулю.
При подключении к источнику тока на одной из пластин начинает накапливаться заряд. Он создает на другой пластине заряд той же величины, но противоположного знака. Конденсатор полностью заряжен, когда его добавление невозможно из-за параметров пластины. Максимальная плата составляет:
- С – емкость конденсаторного элемента,
- U——Напряжение.
Как только противоположные заряды полностью установятся с обеих сторон, их можно будет использовать для совершения работы, если им позволить двигаться навстречу друг другу в цепи.
Работу конденсатора можно описать с точки зрения фаз накопления и разряда:
- Накопление энергии. При подключении к батарее электроны накапливаются на одной пластине, вызывая накопление положительного заряда на другой пластине;
- Высвобождение энергии (разряд). Если батарея отключена, заряд на пластинах сохраняется до тех пор, пока она не будет подключена к цепи, например к лампочке. После этого заряд будет передаваться с одной пластины на другую и двигаться по цепи. Следовательно, источником энергии становится сам конденсатор.
Видео: 48. Энергия электрического поля
Важно! В отличие от химических батарей, конденсаторы сохраняют энергию благодаря своей физической структуре, которая позволяет им очень быстро заряжаться и разряжаться.
Энергия конденсатора
Энергия электрического поля в заряженном конденсаторе имеет форму электрического потенциала. Его пластины притягиваются друг к другу, и для удержания их на постоянном расстоянии требуется внешняя сила. В какой-то момент эта сила F может совершить работу.
Формула энергии конденсатора EF
Следовательно, энергию электрического поля можно определить, сформулировав формулу работы:
- Работа A = F xd (d — расстояние между обкладками конденсатора);
- Сила F = qx E1 (q – заряд, E1 – интенсивность электрического удара, производимого пластиной);
- Тогда А = qx E xd;
- Так как напряжение ЭП в плоском конденсаторе, состоящем из двух обкладок, равно Е = 2 х Е1, то А = (qx E xd)/2;
- Выразив напряжение E=U/d, получим:
А = (qx U xd)/ (2 xd) = (qx U)/2.
Расчетная работа равна энергии заряда конденсатора.
Используя формулу емкости конденсатора C = q/U, выражение энергии будет следующим:
W = q²/2 x C или W = (C x U²)/2.
При этом емкость C = (ε x ε0 x S)/d (S – площадь пластины, ε – диэлектрическая проницаемость). Формулу энергии можно переписать так:
W = (C x U²)/2 = (ε x ε0 x S)/(2 xd) x E² x d² = 1/2 ε x ε0 x S xdx E² = 1/2 ε x ε0 x E² x V, где V = S xd – объем ЭД.
В этом виде энергия представлена пространственными свойствами (ε, ε0) и интенсивностью ЭП.
Важно! В пространстве, где существует электрическое поле, накопление энергии электрического поля пропорционально квадрату его напряженности.
Используя эти формулы, вы можете выполнить расчеты для любого конденсатора.
Читайте также статью: Статьи
