Энергия заряженного конденсатора
Оценить рабочие параметры этого накопительного элемента можно с применением разных методик. Простейший способ – анализ сближения разноименно заряженных пластин. Это перемещение обеспечивает сила (F), прямо пропорциональная величине заряда (q) и напряженности (E):
F = q * E.
Добавив E = q/(2*e0*S), получают формулу физики для оценки взаимодействия:
F = q2/(2*e0*S).
Так как работа (A) равна произведению силы (F) на пройденное расстояние (d – дистанция между пластинами), энергия электрического поля конденсатора вычисляется без большого труда:
W = A = F * d = d *q2/(2*e0*S).
С учетом емкости C = d /(e0*S) после элементарных математических преобразований можно получить итоговую формулу:
- W = q2/(2*C);
- q = C * U;
- W = ½ (C * U2).
Емкий конденсатор обеспечивает функционирование источника света без подключения к сети
Объемная плотность электрической энергии
Рассмотренные выше зависимости и формулы можно преобразовать, чтобы уточнить влияние связанных параметров на энергетический потенциал определенной конструкции:
- W = ½ (C * U2) = d *q2/(2*e0*S) = ((e0 * E2)/2) * S*d;
- однако произведение S*d равно объему (V);
- таким образом, исходное выражение для расчета приобретает вид:
W = ((e0 * E2)/2) * V.
По итоговому варианту становится понятным, сколько энергии электрического поля сосредоточено внутри определенного объема. Исходя из того можно сделать вывод о наличии соответствующих свойств самого поля. Теоретические знания подтверждены расчетами. Для оценки эффективности конкретных изделий применяют удельный показатель (объемную плотность) w = W/V = (e0 * E2)/2. При заполнении диэлектриком формулы дополняют соответствующими данными электрической проницаемости (e).
Вектора магнитной индукции (В) и напряженности (Е) формируют электромагнитное поле. Для расчета силы, перемещающей соленоид, надо учитывать силовые компоненты в совокупности. Соответствующие коррекции делают при создании колебательного контура. Максимальный энергетический потенциал можно получить с помощью увеличения диэлектрической проницаемости слоя между обкладками конденсатора.
Нулевой потенциал и потенциальное поле
Электрическое поле считается потенциальным, значит, работа по перемещению в нем заряда не зависит от траектории и определяется единственно потенциалом. Потенциал – универсальное физическое понятие, часто применяемое. К примеру, для гравитационного поля Земли, происхождение которого поныне необъяснимо. Известно, что массы притягиваются по закону, напоминающему выведенный Шарлем Кулоном.
Зарисовка напряжённости поля
В электрическом поле Земной шар становится началом отсчёта. Нет разницы, относительно чего исчислять потенциал, но люди быстро поняли, что смоляное электричество бьётся, стеклянное кусается током, а грунт не причиняет вреда. Следовательно, в полном соответствии с логикой принят за нуль. В этом плюс: Земля громадная по объёму, на планету стекают без труда гигантские токи, статические и переменные. Доказано, что на теле заряд пытается распределиться взаимно на максимальной дистанции. Что соответствует поверхности планеты. При таком раскладе плотность заряда получается несущественной, много меньше, чем на любом наэлектризованном теле.
На Земле потенциал за редким исключением измеряется относительно грунта, значение называют электрическим напряжением. Из контекста становится понятно, что напряжение бывает положительным и отрицательным. Впрочем, не всегда. На ЛЭП порой считается выгодным использовать схемы с изолированной нейтралью. Тогда потенциал любой точки не считается относительно Земли, отсутствует нейтраль. Это становится возможным в трёхфазных цепях.
На местной подстанции ставят разделительный трансформатор, нейтраль вторичной обмотки которого заземляют, чтобы поставлять потребителям фазное напряжение 220 В, а не линейное. Порой люди наивно думают, что планета единая, следовательно, не нужна нейтраль, ток всё равно потечёт. Но потечёт через грунт, вызывая немалый экономический ущерб и представляя опасность для людей созданием шагового напряжения. Медный нулевой проводник – называли в первой половине XIX века возвратным – имеет малое сопротивление и гарантированно не причинит вреда.
В цепях с изолированной нейтралью потенциал не отсчитывается относительно уровня грунта, а напряжение измеряется между двумя точками. Уместно упомянуть, что по закону Ома ток, протекая через проводник, создаёт разность потенциалов. Поэтому нельзя браться при аварии за контур заземления. Малое сопротивление способно оказаться причиной образования здесь немалой разницы потенциалов. А человек обязан помнить об опасности напряжения прикосновения.
Однако цепи с изолированной нейтралью используются и в целях безопасности
Если напряжение создаётся между двумя точками вторичной обмотки разделительного трансформатора, ток на землю через неосторожно взявшегося за оголённый провод человека не пойдёт – разница потенциалов относительно грунта меньше. Следовательно, разделительный трансформатор становится мерой защиты и часто используется на практике
Электрическое поле в конденсаторе
На практике не часто применяют емкость уединенных проводников. В реальных условиях приходится учитывать взаимные влияния полей и зарядов. Для решения конкретных задач удобнее использовать конструкции с равномерным распределением силовых линий и выводами для подключения к источнику питания.
Типичный пример такого изделия – плоский конденсатор. Его емкость можно рассчитать по формуле:
C = Q/ (ϕ1-ϕ2) = Q/U = (e * e0 * S)/d,
где:
- ϕ1-ϕ2 – разница потенциалов;
- U – напряжение;
- e – электрическая проницаемость среды (диэлектрика) между пластинами;
- S – площадь рабочих элементов;
- d – расстояние между обкладками.
В этой конструкции специальное расположение рабочих элементов минимизирует воздействие внешней среды. Базовый принцип – площадь пластин (обкладок) должна быть намного больше промежутка между ними. Для упрощения можно подробно изучить конденсатор с воздушным слоем. Для этого случая e = 1, поэтому соответствующий компонент можно устранить из расчетов.
Положительный и отрицательный заряды равны по значениям, но принимаются с разными знаками для обеспечения разницы потенциалов. Напряженность для каждой пластины можно выразить через следующие параметры:
Е+- = P/(2*e0),
где P = q/S – поверхностная плотность, определяющая концентрацию заряда на рабочих обкладках.
Векторное распределение напряженности электрического поля
При векторном представлении несложно понять взаимную компенсацию сил, которые действуют за пределами рабочей зоны:
Евнешн= Е+ – Е- = 0.
Обратная ситуация – между пластинами:
Ераб = Е+ + Е- = P/e0 = q/(S* e0).
Здесь происходит удвоение силовых параметров поля.
В реальных условиях пластины не могут быть бесконечно большими. В некоторых ситуациях приходится учитывать искажения поля за счет «краевых» эффектов. Тем не менее, представленные выше формулы и отношения вполне пригодны для выполнения многих практических расчетов. Существенные коррекции нужно делать при работе с сигналами СВЧ. В типовых сетях (50 Гц) и в границах радиочастотного диапазона соответствующими минимальными искажениями можно пренебречь.
