Potencjał i Pole Elektrostatyczne

Pole elektrostatyczne i potencjał elektryczny są fundamentalnymi pojęciami w elektrostatyce. W przypadku pola centralnego, potencjał opisywany jest wzorem V = kQ/r, gdzie k to stała elektrostatyczna, Q to ładunek, a r to odległość od źródła pola.

Definicja: Natężenie pola elektrycznego to wielkość wektorowa określająca siłę działającą na jednostkowy ładunek elektryczny umieszczony w danym punkcie pola.

Dla naładowanej kuli potencjał na jej powierzchni wynosi V = kQ/R, gdzie R to promień kuli. Szczególnie istotne jest zrozumienie powierzchni ekwipotencjalnych, które w przypadku ładunku punktowego mają kształt sfer. Na tych powierzchniach potencjał jest stały.

Prawo Coulomba znajduje tutaj praktyczne zastosowanie przy obliczaniu sił między ładunkami. Napięcie elektryczne, definiowane jako różnica potencjałów (U = VA - VB), jest kluczowym parametrem określającym zdolność pola do wykonywania pracy.

Energia Kondensatora i Pole Elektrostatyczne

Pole elektrostatyczne w kondensatorze jest zjawiskiem fundamentalnym w elektrostatyce. Gdy mówimy o energii kondensatora, musimy zrozumieć, jak zachowuje się ładunek elektryczny między okładkami. Natężenie pola elektrycznego między okładkami kondensatora jest kluczowe dla zrozumienia jego działania.

Definicja: Energia naładowanego kondensatora jest równa pracy potrzebnej do jego naładowania. Wyraża się ją wzorem E = (Q·U)/2 = (C·U²)/2, gdzie Q to ładunek, U to napięcie, a C to pojemność kondensatora.

Proces ładowania kondensatora polega na stopniowym przenoszeniu ładunków z jednej okładki na drugą. Początkowo obojętne okładki uzyskują przeciwne ładunki - jedna dodatni, druga ujemny. Z każdą przeniesioną porcją ładunku wzrasta napięcie między okładkami, co wpływa na całkowitą energię zgromadzoną w kondensatorze.

Energia potencjalna naładowanego kondensatora zależy od kilku czynników, w tym od przeniesionego ładunku Q i napięcia U między okładkami. Wzór na energię potencjalną można zapisać na różne sposoby: E = (Q·U)/2 = (C·U²)/2 = Q²/(2C). Jednostką energii w układzie SI jest dżul [J], który można wyrazić jako iloczyn kulomba i wolta [C·V].

Przykład: Dla kondensatora o pojemności C = 1μF naładowanego do napięcia U = 100V, energia wynosi E = (C·U²)/2 = (1·10⁻⁶·10000)/2 = 5·10⁻⁴ J.