Энергия электрического поля

Многие видели фильмы, в которых врачи используют заряд дефибриллятора, чтобы восстановить сердце посредством импульсной энергии электрического поля. Передаваемая заряженным дефибриллятором энергия, накапливается в конденсаторе и может регулироваться по мере надобности. Это элементарная физика для школьников. Часто энергия электрического поля конденсаторов используются для зарядки батарей микроэлектронных устройств. Конденсаторы также используются в качестве источника энергии для вспышек фотоаппаратов или для работы компьютеров.

Принцип накопления энергии электрического поля в конденсаторе

В конденсаторе накапливается потенциальная электростатическая энергия, которая связана с зарядом Q и напряжение U между обложками. Заряженный полностью конденсатор может накапливать энергию в электрическом поле между своими пластинами. По мере зарядки, плотность энергии электрического поля или силы тока становится все сильнее.

После отключения заряженного конденсатора от аккумулятора, энергия электрического поля катушки остается между пластинами еще некоторое время.

Чтобы определить, как энергия может выражаться через Q i U, рассмотрим случай заряженного вакуумного конденсатора плоского типа:

1. Пространство между его крышками имеет объем Sd: крышка коробки S умноженное на расстояние d между ними.
2. В нем преобладает однородное электрическое поле. Вся энергия магнитного поля электрического тока, накопленная в конденсаторе, содержится в этом пространстве.
3. Плотность энергии или напряженность проводника в этой области — это просто разделенный объем Sd.
4. Зная плотность энергии, можно вычислить энергию по формуле С=uА Sd.

Умножив плотность энергии на объем между пластинами, получим полную энергию электрического поля конденсатора, равную запасенной в плоском конденсаторе.

Если электрическое поле перемещает заряд q между двумя точками, между которыми существует постоянное напряжение U, то поле совершает определенный объем работы.

Особенности запасенной энергии электрического поля

Далее поговорим об энергии электрического поля в колебательном контуре конденсатора.

Если есть конденсатор, заряженный до напряжения U, и источник напряжения (аккумулятор) отключен от него, то энергетический ресурс внутри устройства будет равен работе, которая совершается передачей электронов с отрицательной пластины на положительную.

Процесс передачи энергии электрического поля или электрическое напряжение будет продолжаться до тех пор, пока конденсатор полностью не разрядится.

Пример энергии электрического поля колебательного контура

Это явление можно продемонстрировать в эксперименте с мячом для пинг-понга.

Мяч с электропроводящей краской подвешивают на нить между двумя крышками.

После того, как одна из крышек электростатически заряжена, мяч при контакте с крышкой конденсатора, собирает электроны. Затем он движется обратно ко второй крышке, которой отдает положительно электризующиеся электроны и снова отталкивается. Получаем электростатический маятник.

После нескольких десятков ударов шара по крышкам, движение замедляется, затем полностью прекращается. Все заряды от одной крышки перешли на другую, и электрическое поле между крышками пропало. Теперь напряжение между крышками стало равно нулю.

Между крышками возникает натяжение каждый раз при передаче нагрузки. Показатель U продолжал уменьшаться, пока не достиг нулевого значения. Каждый раз выполнялась работа W = qU.