ак и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией. Вычислить энергию заряженного плоского конденсатора с однородным полем внутри него несложно.
Энергия заряженного конденсатора. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора. В том, что заряженный конденсатор обладает энергией, можно убедиться, если разрядить его через цепь, содержащую лампу накаливания, рассчитанную на напряжение в несколько вольт (рис.14.37). При разрядке конденсатора лампа вспыхивает. Энергия конденсатора превращается в тепло и энергию света.
Выведем формулу для энергии плоского конденсатора.
Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна Е/2, где Е -напряженность поля в конденсаторе. В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по поверхности другой пластины (рис.14.38). Согласно формуле (14.14) для потенциальной энергии заряда в однородном поле энергия конденсатора равна:
где q - заряд конденсатора, а d - расстояние между пластинами.
Так как Ed=U, где U - разность потенциалов между обкладками конденсатора, то его энергия равна:
Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин вплотную.
Заменив в формуле (14.25) разность потенциалов или заряд с помощью выражения (14.22) для электроемкости конденсатора, получим:
Можно доказать, что эти формулы справедливы для любого конденсатора, а не только для плоского.
Если на обкладках конденсатора электроемкостью С находятсяэлектрические заряды +q и -q, то согласно формуле (20.1) напряжение между обкладками конденсатора равно
В процессе разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду q от первоначального значенияU до 0.
Среднее значение напряжения в процессе разрядки равно
Для работы А, совершаемой электрическим полем при разрядке конденсатора, будем иметь:
Следовательно, потенциальная энергия Wp конденсатора электроемкостью С, заряженного до напряжения U, равна
Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками обладает энергией. Напряженность Е поля пропорциональна напряжению U, поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряженности.
Таким образом, энергия заряженного конденсатора равна
.
