Energia pola elektrycznego: eksperymenty i formuły
Rozważając energię pola elektrycznego, należy zbadać jej akumulację i zużycie. Akumulatory energii to elektrokondensatory. Przy małych wymiarach takie urządzenie może koncentrować dużą ilość energii.
Podczas nauki kondensatorów łatwiej zrozumieć prawa i możliwości elektrostatyczne współczesnych urządzeń. Są to na przykład dobrze znane cyfrowe multimery, z którymi wykonują pomiary w pikofaradach. Po pierwsze, parametry należy oszacować za pomocą metod elektrostatycznych, a następnie za pomocą multimera.
Wydajność elektryczna przedłużonego przewodu
Badanie tego urządzenia pozwala lepiej zrozumieć, czym jest energia pola elektrycznego. Przewodnicy są w stanie gromadzić i oszczędzać ładunki. Właściwość ta nazywana jest pojemnością elektryczną.
Aby zrozumieć zależność potencjału wydłużonego przewodnika od ładunku, należy zmierzyć potencjały naładowanego ciała. Jest to wygodne, aby zrobić to na ziemi.
Elektrometr z wydrążoną kulką przewodzącą i uziemionym ciałem służy jako woltomierz elektromagnetyczny i mierzony jest potencjał ciała względem ziemi.
Kulka sondy dotyka źródła elektrycznego, przenosząc w ten sposób ładunek. W tym przypadku woltomierz wskaże obecność pewnego potencjału.
Powtarzając doświadczenie, można wywnioskować, że ładunek do potencjalnego stosunku jest stały.
Zmieniając pustą kulkę na inną i wykonując te same eksperymenty, jeśli woltomierz wykazuje duże wartości w porównaniu z poprzednimi, można wywnioskować, że druga kulka ma mniejszą pojemność.
W międzynarodowym systemie jednostki miary SI pojemność elektryczna - farad.
Doświadczenie z sferycznym przewodnikiem
Jeśli w medium o stałej dielektrycznej bierzemy sferyczny przewodnik, gdzie potencjał w nieskończoności wynosi zero, to potencjał w sferze z ładunkiem będzie równy Q / 4ПƐ˳ƐR, a pojemność C = 4ПƐ˳ƐR,
Okazuje się, że pojemność elektryczna podłużnej kuli jest proporcjonalna do jej promienia.
Z eksperymentów wynika, że ciała uważa się za wydłużone, jeśli otaczające je ciała nie powodują istotnej redystrybucji ładunku w nich.
Skraplacz
Kondensator zbudowany jest z dwóch identycznych równoległych płyt i podłączony jest do niego elektrometr, który będzie pracował jako woltomierz. Przewodząca sfera jest doprowadzana do jej pręta. Talerz jest ładowany przez przeniesienie opłaty od hebanowe kije. Następnie woltomierz wskaże obecność napięcia, które powstało między płytkami.
Przeniesienie równych ładunków wewnątrz wydrążonej kuli, zwiększyć odczyty przyrządu. Dlatego pojemność płytek będzie następująca: C = q / U, zdolna do działania jako kondensator gromadzący ładunek energii elektrycznej (gdzie q to ładunek jednej z płytek).
Pojemność płaskiego kondensatora
Pojemność kondensatora płaszczyzny wynosi C = ε̥ε / d, gdzie d jest odległością między płytami.
Wzór można potwierdzić eksperymentalnie. Kondensator płaski jest montowany, płyty są ładowane i podłączone do woltomierza. Bez zmiany opłaty zmieniają inne wskaźniki, obserwując urządzenie w tym czasie. Odczyty będą odwrotnie proporcjonalne do pojemności: U = q / C - 1 / C.
Zwiększając dystans między płytami, obserwujemy wzrost napięcia. Przesuwając płytki równolegle i zwiększając obszar, uzyskujemy zmniejszenie napięcia, a wydajność wzrośnie. Jeśli dielektryk zostanie umieszczony w szczelinie między płytkami, odczyt woltomierza zmniejszy się.
Ponieważ w trakcie eksperymentu wartość ładunku nie uległa zmianie, okazuje się, że pojemność kondensatora jest wprost proporcjonalna do nakładania się płytek i odwrotnie proporcjonalna do d.
Równoległe i szeregowe połączenie kondensatora
Kiedy urządzenia są połączone równolegle, pojemności urządzeń i ich napięcia mają te same wartości, a ładunki są różne. Całkowita opłata jest równa ich sumie oddzielnie.
Przy połączeniu szeregowym podłącz woltomierz z wydrążoną kulą. Dla jednej płyty pierwszego kondensatora podaje się ładunek dodatni, następnie druga płyta staje się ujemna, a po podłączeniu do przewodu drugiego urządzenia - dodatnia. Wtedy oba kondensatory będą otrzymywać identyczne ładunki, a ich napięcia będą miały różne wartości.
W rezultacie pojemność tutaj będzie określona wzorem: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2
Energia płaskiego i arbitralnego kondensatora
Na płytkę nakłada się ładunek o wartości, przy której różnica potencjałów między płytkami staje się równa U. Następnie intensywność będzie równa E = U / d, gdzie d jest odległością między obiektami.
Jedna z płyt znajduje się w polu elektrycznym drugiej, gdzie intensywność wynosi E / 2. Następnie grawitacja do drugiej płytki będzie f = qE / 2. Potencjał energii pole elektryczne ładunku jest równe działaniu tego pola, gdy płyty zbliżają się.
Zastępując pewną liczbę wartości, uzyskujemy energię pola W = qU / 2 = q² / 2C = CU² / 2.
Ta formuła jest odpowiednia dla każdego kondensatora. Łączne natężenie pola wynosi A = 1 / 2qU.
To samo dzieje się, jeśli zastosuje się wydłużony przewodnik zamiast kondensatora.
Determinacja energii eksperymentalnie
Pomiar energii urządzenia wytwarzanego przez działanie termiczne. Metalową spiralę umieszcza się w probówce, zamkniętej rurką z rurką, w której znajduje się kropla wody. Zdobądź termometr gazowy. Kondensator jest podłączony do cewki, a elektrometr z wewnętrzną kulką jest połączony równolegle.
Kondensator naładowany jest kulkami, a następnie rozładowany przez spiralę. Zauważysz ruch kropli w rurce.
Po schłodzeniu powietrza i przesunięciu spadku do pozycji wyjściowej napięcie wzrasta. Kropla przesunie kilka wartości wyżej. Kondensator dwukrotnie zmienia się na dużą pojemność. Poprzez ładowanie go do poziomu początkowego można obserwować ruch dwukrotnie.
Gęstość energii pola elektrycznego
Ustawiają energię tak, aby kondensator nie miał wartości, i brane są pod uwagę tylko wartości charakteryzujące pole. W tym przypadku należy obliczyć energię pola elektrycznego na jednostkę objętości.
W wyniku podstawień uzyskuje się gęstość energii: ω = W / V = ε̥εΕ² / 2, to znaczy jest proporcjonalna do kwadratu natężenia.
Naładuj energię interakcji lub energię w polu elektrycznym
Tak więc, aby naładować kondensator, potrzebne są prace, aby pokonać siły przyciągania elektrostatycznego między różnymi ładunkami podczas ich rozdzielania. Dzięki temu powstanie rezerwowa energia potencjalna.
Aby naładować jakiekolwiek ciało, konieczna jest również praca, aby w tym przypadku przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne między podobnymi ładunkami.
Biorąc samotnego przewodnika, pobieramy q. Potencjał pola w nieskończoności będzie wynosił zero, a potencjał przewodu - φ (q). Aby przesłać niewielki ładunek Δq, wymagana jest praca:
ΔA = φ (q) Δq.
Prace nad ładowaniem samotnego przewodnika są określone przez formułę:
A = W = 1/2 φ (Q) Q = 1 / 2C (φ (Q)) ²
Na pytanie, gdzie energia jest przechowywana, można odpowiedzieć na dwa sposoby. Według jednego z nich to jest energia interakcja ładunków na przewodniku, a poza tym energia pola elektrycznego jest uzyskiwana, ponieważ jest rozprowadzana w otaczającej przestrzeni.
Którą odpowiedź z tych dwóch daje pierwszeństwo każdej osobistej decyzji każdego ucznia. Należy jednak zauważyć, że w badaniu pól zmiennych staje się możliwa tylko druga opcja, w której energia jest powiązana z polem elektrycznym.