☰ Содержание · Физика

Энергия электрического поля и конденсатор

Уроки 34 · 1 урок · Н. Ш. Турдиев, К. А. Турсунметов, А. Г. Ганиев, К. Т. Суяров, Ж. Э. Усаров, А. К. Авлиёкулов. Физика, 10 класс, 1-е издание. Издательство «Niso Poligraf», Ташкент, 2017
34

Энергия электрического поля

Учебник: с. 125–128
ЦельРассчитывать энергию заряженного проводника и конденсатора, электроёмкость и объёмную плотность энергии поля.
Новые слова
электроёмкость · elektr sig‘imконденсатор · kondensatorэнергия электрического поля · elektr maydon energiyasiплотность энергии · energiyaning hajmiy zichligi
Объяснение

Для зарядки тела нужно совершить работу против отталкивания зарядов; эта работа становится энергией электрического поля. Поскольку потенциал линейно растёт от нуля до φ, средний потенциал равен φ/2, поэтому W = qφ/2. Электроёмкость C = q/φ (единица 1 Ф = 1 Кл/В; на практике мФ, мкФ, нФ, пФ), откуда W = Cφ²/2 = q²/(2C). Конденсатор — это два проводника (обкладки), разделённые диэлектриком; его ёмкость C = q/U, а для плоского конденсатора C = εε₀S/d, где ε₀ = 8,85·10⁻¹² Ф/м. Энергия конденсатора W = qU/2 = CU²/2 = q²/(2C). Эта энергия сосредоточена в поле между обкладками; для плоского конденсатора объёмом V = Sd энергия W = εε₀E²V/2. Объёмная плотность энергии поля w = W/V = εε₀E²/2 (единица Дж/м³). Заряженный конденсатор медленно теряет энергию и почти мгновенно разряжается через цепь с малым сопротивлением; поэтому никогда не прикасайтесь к заряженному конденсатору.

Примеры
Конденсатор C = 5 мкФ заряжен до U = 100 В: q = CU = 5·10⁻⁶·100 = 5·10⁻⁴ Кл; W = CU²/2 = 5·10⁻⁶·10⁴/2 = 0,025 Дж = 25 мДж.
Конденсатор содержит заряд q = 40 мкКл и имеет C = 2 мкФ: U = q/C = 20 В; W = q²/(2C) = (4·10⁻⁵)²/(4·10⁻⁶) = 4·10⁻⁴ Дж = 400 мкДж (проверка: qU/2 = 40·20/2 = 400 мкДж).
Работа в классе

Только расчётом и вместе с учителем: заполните таблицу энергии при 10 В для конденсаторов 1 мкФ, 10 мкФ и 100 мкФ. Не заряжайте настоящий конденсатор, не подключайте его к сети и не прикасайтесь к нему.

Упражнения
1
Запишите три формулы энергии заряженного конденсатора.
2
C = 10 мкФ, U = 20 В. Чему равна энергия (мкДж)? (W = CU²/2)
3
q = 40 мкКл, U = 100 В. Чему равна энергия (мДж)? (W = qU/2)
4
Почему опасно прикасаться к конденсатору после его зарядки?