Предоставленные сами себе, два одноименных электрических заряда не хотят иметь ничего общего друг с другом. Они разлетаются так быстро, как только могут. Таким образом, если частицы вынуждены двигаться навстречу друг другу (а это происходит, например, при накоплении заряда), они этому всемерно сопротивляются, и чтобы увеличить плотность концентрации зарядов в проводнике, должна быть затрачена определенная энергия.
В статическом состоянии эта энергия не используется и безвозвратно теряется. Она хранится в виде электрического поля - своеобразной напряженности в пространстве между заряженными частицами – до тех пор, пока концентрация зарядов не уменьшится, и они снова не обретут способность к свободному передвижению.
В этом случае заряды используют накопленную энергию электрического поля для приобретения ускорения на своем пути.
Конденсатор является компонентом электрической цепи, специально предназначенным для хранения электрического поля.
Энергия электрического поля конденсатора является основой его использования в многочисленных электрических и электронных устройствах.
Простая логика подсказывает, что конденсатор, заряженный до напряжения V, для достижения нового состояния потребует QV джоулей энергии, и эта величина как раз и есть не что иное, как энергия электрического поля конденсатора, накопленная в нем и готовая к использованию.
К сожалению, здравый смысл здесь дает осечку. Если вы чувствуете себя хорошо после выпитой кружки пива, это вовсе не означает, что вы будете чувствовать себя ровно в два раза лучше после приема второй.
На самом деле по мере сближения зарядов, они сопротивляются этому все более и более яростно. Очевидно, что здесь мы имеем дело с нелинейным процессом.
Посмотрим, как энергия электрического поля конденсатора определяется на основе простого опыта.
Известно, что ток определяется как скорость, с которой движется заряд. Поэтому, если подключить конденсатор к источнику стабилизированного тока, заряд Q будет накапливаться на пластинах с постоянной скоростью.
Предположим, мы берем незаряженный конденсатор и подключаем его к блоку питания, который обеспечивает постоянный зарядный ток I .
Напряжение на конденсаторе начинается с нуля и возрастает линейно, пока конденсатор не будет полностью заряжен. После этого оно останавливается. Назовем это значение максимальным напряжением V.
Среднее напряжение на конденсаторе в процессе заряда составляет (V/2), а средняя мощность, соответственно, I(V/2) . Конденсатор был заряжен за время Т секунд, так что энергия электрического поля конденсатора, запасенная в в процессе заряда, равна TI (V/2).
W = 1/2QV = 1/2CV
Несмотря на существование огромного количества типоразмеров, устройство конденсатора не отличается особым разнообразием.
Большинство из них состоят из двух параллельных пластин, разделенных диэлектриком. Иногда, для экономии места, этот сэндвич свернут в трубочку, как рулет. А в некоторых случаях они имеют несколько слоев, определенным образом связанных между собой.
Расчет емкости конденсатора, состоящего из двух металлических пластин, при известных физических размерах обычно не представляет сложности, так же, как и расчет результирующей емкости при последовательном или параллельном соединении конденсаторов.
