Енергия на електрическото поле: експерименти и формули

Когато се разглежда енергията на електрическото поле, трябва да се изследва нейното натрупване и потребление. Енергийните акумулатори са електрокондензатори. С малки размери такова устройство е в състояние да концентрира голямо количество енергия.

При изучаването на кондензатори става по-лесно да се разберат електростатичните закони и възможностите на съвременните устройства. Това са, например, добре познатите цифрови мултимери, с които извършват измервания в пикофарад. Първо, параметрите трябва да бъдат оценени с електростатични методи, а след това - с мултимер.

Електрически капацитет на удължения проводник

Изследването на това устройство дава по-добро разбиране на въпроса каква е енергията на електрическото поле. Диригентите могат да натрупват и спестяват такси. Това свойство се нарича електрически капацитет.

За да се разбере зависимостта на потенциала на удължения проводник от заряда, е необходимо да се измери потенциала на заредено тяло. Това е удобно да се прави на земята.

Електрометър с куха проводяща топка и заземен корпус се използва като електростатичен волтметър и се измерва потенциалът на тялото спрямо земята.

Точката на сондата докосва електрически източник, като по този начин прехвърля такса в нея. В този случай, волтметърът ще покаже наличието на определен потенциал.

Повтаряйки опита, може да се заключи, че съотношението на заряда към потенциал е постоянно.

Чрез промяна на кухата топка на друга и извършване на същите експерименти, ако волтметърът показва големи стойности в сравнение с предишните, може да се заключи, че втората топка има по-малък капацитет.

В международната система на SI единица за измерване електрически капацитет - Фарад.

Опит с сферичен проводник

Ако в среда с диелектрична константа вземем сферичен проводник, където потенциалът на безкрайността е нула, то потенциалът в сферата с такса ще бъде равен на Q / 4PƐ˳ƐR, а капацитета C = 4PƐ˳ƐR,

Оказва се, че електрическата мощност на удължената топка е пропорционална на неговия радиус.

От експериментите следва, че телата се считат за удължени, ако околните тела не предизвикват значително преразпределение на заряда в тях.

кондензатор

Кондензаторът се състои от две еднакви успоредни пластини и към него е свързан електромер, който ще работи като волтметър. До неговата пръчка се довежда проводяща сфера. Плаката се зарежда чрез прехвърляне на зареждане от пръчици от абанос. Тогава волтметърът ще покаже наличието на напрежение, което е възникнало между плочите.

Прехвърляйки еднакви заряди в кухата сфера, увеличете показанията на инструмента. Следователно капацитетът на плочите ще бъде както следва: C = q / U, способен да работи като кондензатор, акумулиращ заряд от електричество (където q е зарядът на една от плочите).

Капацитет на плосък кондензатор

Капацитетът на кондензатора е C = ε̥ε / d, където d е разстоянието между плочите.

Формулата може да бъде потвърдена чрез експеримент. Монтира се плосък кондензатор, плочите се зареждат и се свързват с волтметър. Без да променят заряда, те променят други индикатори, наблюдавайки устройството в този момент. Показанията ще бъдат обратно пропорционални на капацитета: U = q / C - 1 / C.

По-голямо разстояние между плочите ще наблюдаваме увеличаване на напрежението. Чрез преместване на плочите паралелно и увеличаване на площта, получаваме намаляване на напрежението, а капацитетът ще се увеличи. Ако диелектрикът се постави в процепа между плочите, показанието на волтметъра ще намалее.

Тъй като в хода на експеримента стойността на заряда не се променя, се оказва, че капацитетът на кондензатора е правопропорционален на припокриването на плочите и обратно пропорционален на d.

Паралелна и серийна кондензаторна връзка

Когато устройствата са свързани паралелно, капацитетите на устройствата и техните напрежения имат еднакви стойности и зарядите са различни. Общата такса е равна на сумата им отделно.

При серийно свързване, свържете волтметър с куха сфера. За една плоча на първия кондензатор е даден положителен заряд, след това другата плоча ще стане отрицателна, а когато е свързана с проводника на второто устройство - положителна. Тогава и двата кондензатора ще получат еднакви заряди и техните напрежения ще имат различни стойности.

В резултат на това капацитетът тук ще бъде определен по формулата: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2

Енергия на плосък и произволен кондензатор

Прилага се такса към плаката, която има стойност, при която разликата в потенциала между плочите става равна на U. Тогава интензитетът ще бъде равен на E = U / d, където d е разстоянието между обектите.

Една от плочите е в електрическото поле на другата, където интензивността е E / 2. след това привлекателна сила към другата плоча ще бъде f = qE / 2. Потенциална енергия електрическото поле на заряда е равно на действието на това поле при приближаване на плочите.

Подменяйки редица стойности, получаваме, че енергията на полето W = qU / 2 = q² / 2C = CU² / 2.

Тази формула е подходяща за всеки кондензатор. Общата работа на терен е A = 1 / 2qU.

Същото се случва, ако вместо кондензатор приложите удължен проводник.

Определяне на енергията експериментално

Измерване на енергията на устройството, произведено чрез термично въздействие. Метална спирала се поставя в епруветка, затворена с тръба с тръба, в която има капка вода. Вземи газов термометър. Към намотката е свързан кондензатор и е свързан паралелно електромер с куха вдлъбнатина.

Кондензаторът се зарежда с топки и след това се освобождава през спирала. Ще забележите движение на капка в тръбата.

След охлаждане на въздуха и преместване на падането в първоначалното положение, напрежението се увеличава. Спадът ще се премести на няколко стойности по-високо. Кондензаторът се променя два пъти на голям капацитет. Чрез зареждането му до първоначалното ниво, можете да наблюдавате двойното движение.

Енергийна плътност на електрическото поле

Те определят енергията така, че кондензаторът няма стойности, като се вземат предвид само стойностите, характеризиращи полето. В този случай трябва да се изчисли енергията на електрическото поле на единица обем.

В резултат на замествания се получава плътността на енергията: ω = W / V = ​​ε̥εΕ² / 2, т.е. тя е пропорционална на квадрата на интензитета.

Енергия или енергия на взаимодействие на зареждане в електрическо поле

Затова, за да заредим кондензатор, е необходима работа за преодоляване на силите на електростатично привличане между различните заряди по време на тяхното разделяне. Поради това ще има резерв от потенциална енергия.

За да се зареди всяко тяло, в този случай е необходимо да се преодолее електростатичното отблъскване между подобни заряди.

Като вземаме самотен проводник, зареждаме q. Потенциалът на полето в безкрайността ще бъде нула, а потенциалът на проводника - φ (q). За прехвърляне на малка такса трябва да се работи:

=A = φ (q) .q.

Работата по зареждане на самотен проводник се определя по формулата:

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

На въпроса къде се съхранява енергията се отговаря по два начина. Според един от тях, това е енергия взаимодействието на зарядите върху проводника, а в противен случай се получава енергията на електрическото поле, тъй като тя се разпределя в околното пространство.

Кой отговор от тези два да даде предпочитание е лично решение на всеки ученик. Трябва да се отбележи обаче, че при изучаването на променливите полета става възможно само вторият вариант, при който енергията е свързана с електрическо поле.