Energia da campo elettrico: esperimenti e formule
Quando si considera l'energia di un campo elettrico, si dovrebbe studiarne l'accumulo e il consumo. Gli accumulatori di energia sono elettrocondensatori. Con piccole dimensioni tale dispositivo è in grado di concentrare una grande quantità di energia.
Quando si studiano i condensatori, diventa più facile comprendere le leggi e le capacità elettrostatiche dei dispositivi moderni. Questi sono, ad esempio, i noti multimeri digitali, con i quali eseguono misurazioni in picofarad. Innanzitutto, i parametri dovrebbero essere stimati utilizzando metodi elettrostatici e, successivamente, utilizzando un multimetro.
Capacità elettrica del conduttore esteso
Lo studio di questo dispositivo offre una migliore comprensione della domanda su quale sia l'energia di un campo elettrico. I conduttori sono in grado di accumulare e risparmiare spese. Questa proprietà è chiamata capacità elettrica.
Per capire la dipendenza del potenziale del conduttore allungato sulla carica, è necessario misurare i potenziali di un corpo carico. È conveniente farlo sul terreno.
Un elettrometro con una sfera conduttiva cavo e un corpo messo a terra viene utilizzato come voltmetro elettrostatico e viene misurato il potenziale del corpo rispetto al terreno.
La sfera della sonda tocca una fonte elettrica, trasferendo così una carica in essa. In questo caso, il voltmetro mostrerà la presenza di un certo potenziale.
Ripetendo l'esperienza, si può concludere che la carica al potenziale rapporto è costante.
Cambiando la palla cava con un'altra e avendo fatto gli stessi esperimenti, se il voltmetro mostra valori elevati rispetto ai precedenti, si può concludere che la seconda palla ha una capacità minore.
Nel sistema internazionale di unità di misura SI capacità elettrica - farad.
Esperienza con un conduttore sferico
Se in un mezzo con una costante dielettrica prendiamo un conduttore sferico, dove il potenziale all'infinito è zero, allora il potenziale nella sfera con carica sarà uguale a Q / 4ПƐ˳ƐR, e la capacità C = 4ПƐ˳ƐR,
Si scopre che la capacità elettrica della palla allungata è proporzionale al suo raggio.
Dagli esperimenti ne consegue che i corpi sono considerati allungati se i corpi circostanti non causano una significativa ridistribuzione della carica in essi.
condensatore
Un condensatore è costituito da due lastre parallele identiche e un elettrometro è collegato ad esso, che funzionerà come voltmetro. Una sfera conduttrice viene portata nella sua asta. La piastra viene caricata trasferendo la carica da bastoncini di ebano. Quindi il voltmetro indicherà la presenza di tensione che si è verificata tra le piastre.
Trasferendo le cariche uguali all'interno della sfera vuota, aumenta le letture dello strumento. Pertanto, la capacità delle piastre sarà la seguente: C = q / U, in grado di funzionare come un condensatore che accumula una carica di elettricità (dove q è la carica di una delle piastre).
Capacità di un condensatore piatto
La capacità del condensatore piano è C = ε̥ε / d, dove d è la distanza tra le piastre.
La formula può essere confermata dall'esperimento. Viene assemblato un condensatore piatto, le piastre sono caricate e collegate a un voltmetro. Senza cambiare la carica, cambiano altri indicatori, guardando il dispositivo in questo momento. Le letture saranno inversamente proporzionali alla capacità: U = q / C - 1 / C.
Aumentando la distanza tra le piastre, osserveremo un aumento di tensione. Spostando le piastre in parallelo e aumentando l'area, otteniamo una riduzione della tensione e la capacità aumenterà. Se un dielettrico viene inserito nello spazio tra le piastre, la lettura del voltmetro diminuirà.
Poiché nel corso dell'esperimento il valore della carica non è stato modificato, si scopre che la capacità del condensatore è direttamente proporzionale alla sovrapposizione delle piastre e inversamente proporzionale a d.
Connessione di condensatori paralleli e seriali
Quando i dispositivi sono collegati in parallelo, le capacità dei dispositivi e le loro tensioni hanno gli stessi valori e le cariche sono diverse. La carica totale è pari alla loro somma separatamente.
Con una connessione seriale, collegare un voltmetro con una sfera vuota. Per una piastra del primo condensatore, viene fornita una carica positiva, quindi l'altra piastra diventa negativa e quando è collegata al conduttore del secondo dispositivo - positiva. Quindi entrambi i condensatori riceveranno cariche identiche e le loro tensioni avranno valori diversi.
Di conseguenza, la capacità qui sarà determinata dalla formula: 1 / C = 1 / C1 + 1 / C2
Energia di condensatore piatto e arbitrario
Viene applicata una carica alla piastra, con un valore al quale la differenza di potenziale tra le piastre diventa uguale a U. Quindi l'intensità sarà uguale a E = U / d, dove d è la distanza tra gli oggetti.
Una delle piastre è nel campo elettrico dell'altra, dove l'intensità è E / 2. poi forza di attrazione all'altra piastra sarà f = qE / 2. Energia potenziale il campo elettrico della carica è uguale al funzionamento di questo campo quando le piastre si avvicinano.
Sostituendo un numero di valori, otteniamo che l'energia del campo W = qU / 2 = q² / 2C = CU² / 2.
Questa formula è adatta per qualsiasi condensatore. Il lavoro sul campo totale è A = 1 / 2qU.
La stessa cosa accade se si applica un conduttore allungato invece di un condensatore.
Determinazione dell'energia sperimentalmente
Misura dell'energia del dispositivo prodotto dall'azione termica. Un'elica metallica viene posta in una provetta, chiusa con un tubo con un tubo in cui è presente una goccia d'acqua. Prendi un termometro del gas. Un condensatore è collegato alla spirale e un elettrometro con una sfera vuota all'interno è collegato in parallelo.
Il condensatore è carico di palle e quindi scaricato attraverso una spirale. Noterai il movimento della goccia nel tubo.
Dopo aver raffreddato l'aria e spostato la goccia nella posizione iniziale, la tensione aumenta. La goccia sposterà diversi valori più in alto. Il condensatore viene cambiato in una grande capacità due volte. Caricandolo al livello iniziale, è possibile osservare il movimento raddoppiato.
Densità di energia del campo elettrico
Impostano l'energia in modo tale che il condensatore non abbia valori e vengono presi in considerazione solo i valori che caratterizzano il campo. In questo caso, l'energia del campo elettrico per unità di volume deve essere calcolata.
Come risultato delle sostituzioni, si ottiene la densità di energia: ω = W / V = ε̥εΕ² / 2, cioè, è proporzionale al quadrato dell'intensità.
Carica l'energia di interazione o l'energia in un campo elettrico
Quindi, per caricare un condensatore, è necessario del lavoro per superare le forze di attrazione elettrostatica tra diverse cariche durante la separazione. A causa di ciò, ci sarà una riserva di energia potenziale.
Per caricare qualsiasi corpo, è necessario anche il lavoro, in questo caso, per superare la repulsione elettrostatica tra cariche simili.
Prendendo un conduttore solitario, addebitiamo q. Il potenziale del campo all'infinito sarà zero e il potenziale del conduttore - φ (q). Per trasferire una piccola carica Δq, è necessario il lavoro:
ΔA = φ (q) Δq.
Il lavoro per caricare un conduttore solitario è determinato dalla formula:
A = W = 1/2 φ (Q) Q = 1 / 2C (φ (Q)) ²
La domanda su dove viene immagazzinata l'energia viene risolta in due modi. Secondo uno di loro, questa è energia l'interazione delle cariche sul conduttore e, diversamente, si ottiene l'energia del campo elettrico, poiché è distribuita nello spazio circostante.
La risposta di questi due a dare la preferenza è una decisione personale di ogni studente. Tuttavia, va notato che nello studio dei campi variabili, diventa possibile solo la seconda opzione, in cui l'energia è associata a un campo elettrico.