Energie elektrického pole: experimenty a vzorce

Při zvažování energie elektrického pole bychom měli studovat jeho akumulaci a spotřebu. Akumulátory energie jsou elektrokondenzátory. Při malých rozměrech je takové zařízení schopno soustředit velké množství energie.

Při studiu kondenzátorů je snazší pochopit elektrostatické zákony a schopnosti moderních zařízení. Jedná se například o známé digitální multimery, s nimiž provádějí měření v picofarádách. Nejprve je třeba odhadnout parametry pomocí elektrostatických metod a poté pomocí multimeru.

Elektrická kapacita rozšířeného vodiče

Studium tohoto přístroje dává lepší pochopení otázky, co je energie elektrického pole. Vodiče jsou schopny hromadit a šetřit poplatky. Tato vlastnost se nazývá elektrická kapacita.

Pro pochopení závislosti potenciálu podélného vodiče na náboji je nutné měřit potenciál nabitého tělesa. Je to vhodné na zemi.

Elektroměr s dutou vodivou koulí a uzemněným tělem se používá jako elektrostatický voltmetr a měří se potenciál těla vůči zemi.

Kulička sondy se dotýká elektrického zdroje, čímž do něj přenáší náboj. V takovém případě bude voltmetr ukazovat přítomnost určitého potenciálu.

Opakováním tohoto zážitku lze konstatovat, že poměr náboje k potenciálu je konstantní.

Změnou duté koule na jinou a provedením stejných experimentů, pokud voltmetr vykazuje velké hodnoty ve srovnání s předchozími, lze usoudit, že druhá koule má menší kapacitu.

V mezinárodním systému jednotky měření SI elektrická kapacita - farad.

Zkušenosti se sférickým dirigentem

Jestliže v médiu s dielektrickou konstantou vezmeme sférický vodič, kde je potenciál v nekonečnu nulový, pak potenciál ve sféře s nábojem bude rovný Q / 4PƐ˳ƐR a kapacita C = 4P 4R,

Ukazuje se, že elektrická kapacita prodloužené koule je úměrná jejímu poloměru.

Z experimentů vyplývá, že těla jsou považována za protáhlou, jestliže okolní těla nezpůsobí významné přerozdělení náboje v nich.

Kondenzátor

Kondenzátor je vyroben ze dvou identických paralelních desek a k němu je připojen elektroměr, který bude pracovat jako voltmetr. Vedoucí koule je přivedena do své tyče. Deska se nabije přenosem z nabíječky ebony hole. Voltmetr pak indikuje přítomnost napětí, které vzniklo mezi deskami.

Přenášení stejných nábojů uvnitř duté koule zvýší hodnoty přístroje. Kapacita desek bude tedy následující: C = q / U, schopná fungovat jako kondenzátor, který shromažďuje náboj elektřiny (kde q je náboj jedné desky).

Kapacita plochého kondenzátoru

Kapacita rovinného kondenzátoru je C = ε̥ε / d, kde d je vzdálenost mezi deskami.

Vzorec lze potvrdit experimentem. Plochý kondenzátor je sestaven, desky jsou nabité a připojeny k voltmetru. Bez změny nabíjení mění jiné indikátory a zařízení v tuto chvíli sleduje. Hodnoty budou nepřímo úměrné kapacitě: U = q / C - 1 / C.

Zvětšením vzdálenosti mezi deskami budeme pozorovat nárůst napětí. Přemístěním desek paralelně a zvětšením plochy získáme snížení napětí a kapacita se zvýší. Pokud je v mezerě mezi deskami umístěn dielektrikum, sníží se hodnota voltmetru.

Vzhledem k tomu, že v průběhu experimentu nebyla hodnota náboje změněna, ukazuje se, že kapacitní kapacita je přímo úměrná překrytí desek a nepřímo úměrná d.

Paralelní a sériové připojení kondenzátoru

Když jsou zařízení zapojena paralelně, kapacity zařízení a jejich napětí mají stejné hodnoty a nabíječky se liší. Celkový poplatek se rovná jejich součtu zvlášť.

Při sériovém připojení připojte voltmetr s dutou koulí. U jedné desky z prvního kondenzátoru je kladný náboj, druhá deska se stává zápornou a při připojení k vodiči druhého zařízení je kladná. Pak oba kondenzátory obdrží identické poplatky a jejich napětí bude mít různé hodnoty.

V důsledku toho se kapacita zde určí podle vzorce: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2

Energie plochého a libovolného kondenzátoru

Na desku je aplikován náboj s hodnotou, při níž se potenciální rozdíl mezi deskami stane roven U. Pak se intenzita rovná E = U / d, kde d je vzdálenost mezi objekty.

Jedna z desek je v elektrickém poli druhého, kde intenzita je E / 2. Pak gravitace na druhou desku bude f = qE / 2. Potenciální energie elektrické pole náboje se rovná působení tohoto pole při přiblížení desek.

Nahrazením řady hodnot získáme, že energie pole W = qU / 2 = q² / 2C = CU² / 2.

Tento vzorec je vhodný pro všechny kondenzátory. Celková práce v terénu je A = 1 / 2qU.

Stejná situace nastane, pokud namísto kondenzátoru použijete podélný vodič.

Určování energie experimentálně

Měření energie zařízení způsobené tepelným působením. Kovová šroubovice se umístí do zkumavky, uzavřené trubicí s trubicí, ve které je kapka vody. Získejte plynový teploměr. Do spirály je připojen kondenzátor a paralelně je připojen elektroměr s kulovou dutinou uvnitř.

Kondenzátor se naplní kuličkami a pak se vypustí spirálou. Všimnete si pohybu kapky v trubici.

Po ochlazení vzduchu a přemístění poklesu do výchozí polohy se napětí zvyšuje. Pokles se bude pohybovat o několik hodnot výše. Kondenzátor se dvakrát změní na velkou kapacitu. Nabíjením na počáteční úroveň můžete pozorovat dvojnásobný pohyb.

Hustota energie elektrického pole

Nastavují energii tak, aby kondenzátor neměl hodnoty a byly vzaty v úvahu pouze hodnoty charakterizující pole. V tomto případě se musí vypočítat energii elektrického pole na jednotku objemu.

V důsledku substitucí se získá hustota energie: ω = W / V = ​​ε̥εΕ² / 2, to znamená, že je úměrná čtverci intenzity.

Nabíjejte interakci energie nebo energie v elektrickém poli

K naplnění kondenzátoru je tedy zapotřebí pracovat s cílem překonat síly elektrostatického přitahování mezi různými náboji během jejich oddělení. Kvůli tomu bude existovat rezerva potenciální energie.

K nabíjení jakéhokoli těla je třeba v tomto případě také pracovat na překonání elektrostatického odpuzování mezi podobnými náboji.

Vezmeme-li osamocený vodič, nabíjíme q. Potenciál pole v nekonečnu bude nulový a potenciál vodiče - φ (q). Převod malého poplatku Δq vyžaduje práci:

ΔA = φ (q) Δq.

Práce na nabíjení solitárního vodiče jsou určeny podle vzorce:

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

Otázka, kde je uložena energie, je zodpovězena dvěma způsoby. Podle jednoho z nich, to je energie vzájemné působení nábojů na vodiči a jinak se získává energie elektrického pole, protože je distribuována v okolním prostoru.

Která odpověď z těchto dvou přednost je osobní rozhodnutí každého studenta. Je však třeba poznamenat, že ve studii o variabilních polích je možná pouze druhá možnost, kde je energie spojena s elektrickým polem.