4 ELEKTROSTATIČNI POJAVI IN UČINKI

KAZALO

   

 

4.3 ENERGIJA ELEKTRIČNEGA POLJA (We)

     
 

Številni poskusi pri obravnavi električnega polja so nas prepričali, da je v električnem polju shranjena določena energija. Kolikšna? Odgovor poiščemo pri naelektrenem ploščnem kondenzatorju, značilnem primeru homogenega električnega polja.

 

HITRE POVEZAVE

Električna energija

Polnilni tok kondenzatorja

Gostota električne energije

 

SLIKA

Slika 4.3.1.: Delo polnjenja kondenzatorja

 

SLIKA

Slika 4.3.2.: Napetost in elektrina kondenzatorja

 

SLIKA

Slika 4.3.3.: Energija električnega polja

 

ANIMACIJA

Animacija 4.3.1: Energija homogenega električnega polja

 

ANIMACIJE

Izpeljava enačbe za energijo električnega polja 1

Izpeljava enačbe za energijo električnega polja 2

Izpeljava enačbe za energijo električnega polja 3

 

PREVERI ZNANJE

Reši računsko nalogo

Sestavi enačbo

 

V naelektrenem kondenzatorju shranjena energija We je prav gotovo enaka delu polnjenja kondenzatorja W (sl. 4.3.1). To delo lahko izračunamo iz enačbe W = Q · U, toda pri tem moramo upoštevati, da delo W ni bilo opravljeno pri konstantni napetosti. Napetost na kondenzatorju namreč narašča premo sorazmerno z elektrino, ki doteka na kondenzator (sl. 4.3.2).

   
       
 

Zaradi lažjega razumevanja si polnjenje kondenzatorja zamislimo kot vsoto polnjenj z majhnimi koraki konstantne napetosti na način, kot ga prikazuje sl. 4.3.3. Za vsak tak korak velja enačba Wk = Uk · Q , delo celotnega polnjenja pa je enako vsoti del posameznih korakov. Čim manjši so koraki, tem bližje smo linearnemu naraščanju napetosti in dejanski sliki odvisnosti energije električnega polja.

   
       
 
►  

Energija električnega polja kondenzatorja je določena s površino pod grafom napetosti polnjenja kondenzatorja.

 
       
 
  We=
Q · U

2
   (J)          Q (C); U (V);
 
   
 

Enačba 4.3.1.
 

   
 

Elektrine kondenzatorja praviloma ne poznamo, zato na osnovi enačbe Q = C · U izvedemo uporabnejšo obliko enačbe za računanje energije električnega polja kondenzatorja:

   
       
 
  We=
C · U 2

2
   (J)          C (F); U (V);
 
   
 

Enačba 4.3.2.

   
       
 
►  

Energija električnega polja kondenzatorja je premo sorazmerna s kapacitivnostjo kondenzatorja in kvadratom napetosti na kondenzatorju.

 
       
 

Na podoben način kot smo dobili enačbo 4.3.2, lahko iz enačbe 4.3.1 dobimo še eno enačbo:

   
       
 
  We=
  Q 2

 2 C
   (J)        C (F); Q (C);
 
   
 

Enačba 4.3.3.

   
       
Primer 4.3.1:
 
       

V električnem polju kondenzatorja ni shranjene ravno veliko električne energije. Toda če jo sprostimo v zelo kratkem času, dobimo kratkotrajno relativno veliko električno moč, ki zadostuje npr. za elektronski fotografski blisk, magnetenje trajnih magnetov, varjenje folij in podobno. Spreminjamo jo lahko tudi v mehansko energijo (elektrostatični merilniki, … ). Energija, shranjena v električnem polju, je torej pogosto prehodna oblika energije in osnova delovanja nekaterih pretvornikov energije.