Energija električnog polja: eksperimenti i formule

Kada se razmatra energija električnog polja, treba proučiti njegovu akumulaciju i potrošnju. Energetski akumulatori su elektrokondenzeri. Kod malih dimenzija takav uređaj može koncentrirati veliku količinu energije.

Pri proučavanju kondenzatora postaje lakše razumjeti elektrostatičke zakone i mogućnosti modernih uređaja. To su, na primjer, dobro poznati digitalni multimeri s kojima izvode mjerenja u pikofaradima. Prvo, parametre treba procijeniti elektrostatičkim metodama, a nakon toga - multimerom.

Električni kapacitet produženog vodiča

Proučavanje ovog uređaja daje bolje razumijevanje pitanja što je energija električnog polja. Provodnici mogu akumulirati i uštedjeti troškove. Ovo svojstvo naziva se električna kapacitivnost.

Da bismo razumjeli ovisnost potencijala izduženog vodiča o naboju, potrebno je izmjeriti potencijale napunjenog tijela. To je prikladno učiniti na terenu.

Kao elektrostatski voltmetar koristi se elektrometar sa šupljom provodnom kuglom i uzemljenim tijelom i mjeri se potencijal tijela u odnosu na tlo.

Kuglica sondi dodiruje električni izvor i na taj način prenosi punjenje u njega. U tom slučaju voltmetar će pokazati prisutnost određenog potencijala.

Ponavljajući iskustvo, može se zaključiti da je omjer naboja prema potencijalu konstantan.

Promjenom šuplje kugle u drugu i provedbom istih eksperimenata, ako voltmetar pokazuje velike vrijednosti u usporedbi s prethodnim, može se zaključiti da druga kugla ima manji kapacitet.

U međunarodnom sustavu SI mjerne jedinice električni kapacitet - Farad.

Iskustvo sa sfernim vodičem

Ako u mediju s dielektričnom konstantom uzmemo sferični vodič, gdje je potencijal na beskonačnosti jednak nuli, tada će potencijal u sferi s nabojem biti jednak Q / 4PƐ˳ƐR, a kapacitivnost C = 4PƐ˳ƐR,

Ispada da je električni kapacitet izdužene kugle proporcionalan njegovom radijusu.

Iz eksperimenata slijedi da se tijela smatraju izduženim ako okolna tijela ne uzrokuju značajnu preraspodjelu naboja u njima.

kondenzator

Kondenzator se sastoji od dvije identične paralelne ploče i na njega je priključen elektrometar, koji će raditi kao voltmetar. Provodna sfera je dovedena do svoje šipke. Ploča se puni prijenosom punjenja štapići od ebanovine. Tada će voltmetar pokazati prisutnost napona koji se pojavio između ploča.

Prijenos jednakih naboja unutar šuplje kugle, povećajte očitanja instrumenta. Stoga će kapacitet ploča biti sljedeći: C = q / U, sposoban za rad kao kondenzator koji akumulira naboj električne energije (gdje je q naboj jedne od ploča).

Kapacitet ravnog kondenzatora

Kapacitet ravninskog kondenzatora je C = ε̥ε / d, gdje je d udaljenost između ploča.

Formula se može potvrditi eksperimentom. Montira se plosnati kondenzator, ploče se pune i spajaju na voltmetar. Ne mijenjajući naplatu, mijenjaju druge pokazatelje, gledajući uređaj u ovom trenutku. Očitanja će biti obrnuto proporcionalna kapacitivnosti: U = q / C - 1 / C.

Unapređujući udaljenost između ploča, uočit ćemo povećanje napona. Pomicanjem ploča paralelno i povećanjem površine dobivamo smanjenje napona, a kapacitet će se povećavati. Ako se dielektrik postavi u razmak između ploča, očitanje voltmetra će se smanjiti.

Budući da tijekom eksperimenta vrijednost naboja nije promijenjena, ispada da je kapacitivnost kondenzatora izravno proporcionalna preklapanju ploča i obrnuto proporcionalna d.

Paralelna i serijska kondenzatorska veza

Kada su uređaji spojeni paralelno, kapaciteti uređaja i njihovi naponi imaju iste vrijednosti, a troškovi su različiti. Ukupna naknada jednaka je njihovom zbroju zasebno.

Uz serijsku vezu, priključite voltmetar s šupljom kuglom. Za jednu ploču prvog kondenzatora daje se pozitivni naboj, a druga ploča postaje negativna, a kada se poveže s vodičem drugog uređaja - pozitivna. Tada će oba kondenzatora dobiti jednake naboje, a njihovi naponi će imati različite vrijednosti.

Kao rezultat, kapacitet će ovdje biti određen formulom: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2

Energija ravnog i proizvoljnog kondenzatora

Na ploču se primjenjuje naboj koji ima vrijednost pri kojoj razlika potencijala između ploča postaje jednaka U. Tada će intenzitet biti jednak E = U / d, gdje je d udaljenost između objekata.

Jedna od ploča je u električnom polju drugog, gdje je intenzitet E / 2. tada atraktivna sila na drugoj ploči će biti f = qE / 2. Potencijalna energija električno polje naboja jednako je djelovanju ovog polja kada se ploče približavaju.

Zamjenjujući brojne vrijednosti, dobivamo da je energija polja W = qU / 2 = q² / 2C = CU² / 2.

Ova formula je prikladna za bilo koji kondenzator. Ukupan rad na terenu je A = 1 / 2qU.

Isto se događa ako umjesto kondenzatora primijenite izduženi vodič.

Određivanje energije eksperimentalno

Mjerenje energije uređaja dobivenog toplinskim djelovanjem. Metalna spirala se stavlja u epruvetu, zatvara se s cijevi s cijevi u kojoj se nalazi kapljica vode. Uzmi termometar za plin. Na spiralu je spojen kondenzator, a paralelno je spojen elektrometar s unutarnjom šupljom kugle.

Kondenzator je napunjen kuglicama, a zatim se ispušta kroz spiralu. Primijetit ćete kretanje kapi u cijevi.

Nakon hlađenja zraka i pomicanja kapi u početni položaj, napon se povećava. Pad će pomaknuti nekoliko vrijednosti više. Kondenzator se dva puta mijenja na veliki kapacitet. Punjenjem na početnu razinu možete promatrati kretanje udvostručeno.

Gustoća energije električnog polja

Oni postavljaju energiju tako da kondenzator nema vrijednosti, a uzimaju se u obzir samo vrijednosti koje karakteriziraju polje. U tom slučaju mora se izračunati energija električnog polja po jedinici volumena.

Kao rezultat supstitucija dobiva se gustoća energije: ω = W / V = ​​ε̥εΕ² / 2, odnosno proporcionalna je kvadratu intenziteta.

Energija ili energija interakcije punjenja u električnom polju

Dakle, za punjenje kondenzatora, potrebno je raditi kako bi se prevladale sile elektrostatskog privlačenja između različitih naboja tijekom njihovog razdvajanja. Zbog toga će postojati rezerva potencijalne energije.

Za punjenje bilo kojeg tijela, u ovom slučaju je potrebno raditi i na prevladavanju elektrostatskog odbijanja između sličnih naboja.

Uzimajući osamljeni vodič, punimo q. Potencijal polja u beskonačnosti će biti nula, a potencijal vodiča - φ (q). Da biste prenijeli malu q naknadu, potrebno je raditi:

=A = φ (q) .q.

Rad na punjenju pojedinačnog vodiča određuje se po formuli:

A = W = 1/2 Q (Q) Q = 1 / 2C (Q (Q)) ²

Na pitanje gdje se energija pohranjuje odgovor je na dva načina. Prema jednom od njih, to je energija interakcija naboja na vodiču, a inače, dobiva se energija električnog polja, budući da je raspoređena u okolnom prostoru.

Koji je odgovor tih dviju osoba na osobnu odluku svakog učenika. Međutim, treba napomenuti da u proučavanju varijabilnih polja postaje moguća samo druga mogućnost, gdje je energija povezana s električnim poljem.