Energija električnega polja: eksperimenti in formule

Pri proučevanju energije električnega polja je treba preučiti njegovo akumulacijo in porabo. Energijski akumulatorji so elektrokondenzorji. Z majhnimi dimenzijami lahko taka naprava koncentrira veliko količino energije.

Pri proučevanju kondenzatorjev postane lažje razumeti elektrostatične zakone in zmožnosti sodobnih naprav. To so na primer znani digitalni multimeri, s katerimi izvajajo meritve v pikofaradih. Prvič, parametre je treba oceniti z elektrostatičnimi metodami, nato pa z uporabo multimera.

Električna zmogljivost podaljšanega vodnika

Študija te naprave omogoča boljše razumevanje vprašanja, kaj je energija električnega polja. Vodniki lahko nabirajo in shranjujejo stroške. Ta lastnost se imenuje električna kapacitivnost.

Da bi razumeli odvisnost potenciala podolgovatega vodnika od naboja, je potrebno izmeriti potencial nabitega telesa. Primerno je, da to naredite na tleh.

Kot elektrostatični voltmeter se uporablja elektrometer z votlo vodilno kroglo in ozemljenim telesom, meri se potencial telesa glede na tla.

Krogla sonde se dotakne električnega vira, s čimer prenese naboj v njo. V tem primeru bo voltmeter pokazal prisotnost določenega potenciala.

Če ponovimo izkušnjo, lahko ugotovimo, da je razmerje med polnjenjem in potencialom konstantno.

S spremembo votle krogle na drugo in izvedbo istih poskusov, če voltmeter kaže velike vrednosti v primerjavi s prejšnjimi, lahko sklepamo, da ima druga krogla manjšo zmogljivost.

V mednarodnem sistemu SI merske enote električna kapacitivnost - farad.

Izkušnje s sferičnim prevodnikom

Če v mediju z dielektrično konstanto vzamemo sferični prevodnik, kjer je potencial na neskončnosti nič, potem je potencial v krogli z nabojem enak Q / 4PƐ˳ƐR, kapacitivnost C = 4PƐ˳ƐR,

Izkazalo se je, da je električna zmogljivost podolgovate krogle sorazmerna z njegovim polmerom.

Iz eksperimentov sledi, da se telesa štejejo za podolgovate, če okoliška telesa ne povzročijo bistvene prerazporeditve naboja v njih.

Kondenzator

Kondenzator je sestavljen iz dveh enakih vzporednih plošč in z njim je priključen elektrometer, ki bo deloval kot voltmeter. Provodna krogla je prinesena do svoje palice. Plošča se polni s prenosom polnjenja iz Ebony palice. Nato bo voltmeter prikazal prisotnost napetosti med ploščami.

S prenosom enakih stroškov v votlo kroglo povečajte odčitke instrumenta. Zato bo zmogljivost plošč: C = q / U, ki lahko deluje kot kondenzator, ki nabira električno energijo (kjer je q naboj ene od plošč).

Kapaciteta ravnega kondenzatorja

Kapaciteta ravninskega kondenzatorja je C = ε̥ε / d, kjer je d razdalja med ploščama.

Formulo lahko potrdimo s poskusom. Montira se ploski kondenzator, plošče se polnijo in priključijo na voltmeter. Brez spreminjanja polnjenja spreminjajo druge kazalnike in trenutno gledajo napravo. Odčitki bodo obratno sorazmerni kapacitivnosti: U = q / C - 1 / C.

Zaradi večje razdalje med ploščami bomo opazili povečanje napetosti. S premikanjem vzporednih plošč in povečanjem površine dosežemo zmanjšanje napetosti in povečanje kapacitete. Če je dielektrik nameščen v režo med ploščama, se bo odčitalo voltmeter.

Ker v času eksperimenta vrednost polnjenja ni bila spremenjena, se izkaže, da je kapacitivnost kondenzatorja neposredno sorazmerna s prekrivanjem plošč in obratno sorazmerna z d.

Vzporedna in serijska kondenzatorska povezava

Ko so naprave priključene vzporedno, imajo kapacitete naprav in njihove napetosti enake vrednosti, stroški pa so različni. Celotna obremenitev je enaka njihovi vsoti posebej.

Pri serijski povezavi priključite voltmeter z votlo kroglo. Za eno ploščo prvega kondenzatorja je podan pozitiven naboj, nato pa druga plošča postane negativna in ko je povezana z vodnikom druge naprave - pozitivna. Nato bosta oba kondenzatorja dobila enake naboje in njihove napetosti bodo imele različne vrednosti.

Posledično bo zmogljivost tukaj določena s formulo: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2

Energija ploskega in poljubnega kondenzatorja

Na ploščo se polni naboj, ki ima vrednost, pri kateri postane razlika potencialov med ploščama enaka U. Nato je intenzivnost enaka E = U / d, kjer je d razdalja med predmeti.

Ena od plošč je v električnem polju drugega, kjer je intenzivnost E / 2. Potem pa težnost na drugo ploščo bo f = qE / 2. Potencialna energija električno polje naboja je enako delovanju tega polja pri približevanju plošč.

Če nadomestimo številne vrednosti, dobimo energijo polja W = qU / 2 = q² / 2C = CU² / 2.

Ta formula je primerna za vse kondenzatorje. Celotno terensko delo je A = 1 / 2qU.

Enako se zgodi, če namesto kondenzatorja uporabite podaljšan vodnik.

Eksperimentalno določanje energije

Merjenje energije naprave, proizvedene s toplotnim delovanjem. Kovinska vijačnica se namesti v epruveto, zaprto s cevjo s cevjo, v kateri je kapljica vode. Vzemite plinski termometer. Na spiralo je priključen kondenzator, vzporedno pa je povezan elektrometer z notranjo votlino.

Kondenzator je napolnjen s kroglicami, nato pa se spusti skozi spiralo. Opazili boste gibanje kapljice v cevi.

Po ohladitvi zraka in premiku padca v začetni položaj se napetost poveča. Padec bo premaknil več vrednosti višje. Kondenzator se dvakrat spremeni v veliko kapaciteto. S polnjenjem na začetno raven lahko opazujete, da se je gibanje podvojilo.

Energetska gostota električnega polja

Energijo postavljajo tako, da kondenzator nima vrednosti, upoštevajo pa se samo vrednosti, ki označujejo polje. V tem primeru je treba izračunati energijo električnega polja na enoto prostornine.

Zaradi zamenjave dobimo gostoto energije: ω = W / V = ​​ε̥εΕ² / 2, to je sorazmerno s kvadratom intenzivnosti.

Energija ali energija v električnem polju

Torej, za polnjenje kondenzatorja, je potrebno delo za premagovanje sil elektrostatične privlačnosti med različnimi naboji med njihovim ločevanjem. Zaradi tega bo prišlo do rezerve potencialne energije.

Za polnjenje katerega koli telesa je v tem primeru potrebno tudi delo, s katerim bi premagali elektrostatično odbojnost med podobnimi naboji.

Če vzamemo samotnega dirigenta, napolnimo q. Potencial polja v neskončnosti bo nič, potencial vodnika - φ (q). Za prenos majhne ∆q cene je potrebno delo:

∆A = φ (q) .q.

Delo pri polnjenju samotnega vodnika se določi po formuli:

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

Na vprašanje, kje je shranjena energija, se odgovori na dva načina. Po mnenju ene od njih, to je energija interakcijo nabojev na prevodniku, drugače pa dobimo energijo električnega polja, ker je porazdeljena v okolico.

Kateri od teh dveh odgovorov daje prednost, je osebna odločitev vsakega študenta. Vendar je treba opozoriti, da je pri proučevanju spremenljivih polj možna le druga možnost, kjer je energija povezana z električnim poljem.