Ενεργειακή πυκνότητα σε ηλεκτρικό πεδίο
Η ενέργεια ορίζεται ως η ικανότητα εκτέλεσης εργασίας. Μελέτες έχουν δείξει ότι είναι δυνατή η μεταφορά ενέργειας από το ένα μέσο σε ένα άλλο και η χρήση της για την εκτέλεση εργασιών που επιτρέπουν την ύπαρξη του τρόπου ζωής. Το περπάτημα, το μαγείρεμα, η οδήγηση και άλλες καθημερινές δραστηριότητες απαιτούν μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας.
Ενεργειακή πυκνότητα
Η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να εναποτεθεί σε μια μάζα μιας ουσίας ή ενός συστήματος είναι γνωστή ως ενεργειακή πυκνότητα. Γενικά, ένα σύστημα ή ένα υλικό με μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να αποθηκεύσει μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας στη μάζα του.
Υπάρχουν τέσσερις τύποι αντιδράσεων στις οποίες ένα υλικό μπορεί να απελευθερώσει ενέργεια—πυρηνική, χημική, ηλεκτροχημική και ηλεκτρική. Τις περισσότερες φορές, μόνο η χρησιμοποιήσιμη ή ανακτήσιμη ενέργεια υπολογίζεται κατά τον προσδιορισμό της συνολικής ενέργειας σε ένα σύστημα. Η ενεργειακή πυκνότητα συχνά υποδηλώνεται με U στις εξισώσεις.
Έννοια της ενέργειας πεδίου
Όταν η λειτουργία μιας μπαταρίας διεγείρει τον πυκνωτή παράλληλων πλακών, αυτός λειτουργεί και η ποσότητα της εργασίας που γίνεται στη διαδικασία απομακρύνει τις φορτίσεις. Τώρα σκεφτείτε:
Συνολική χρέωση ως Q; (με την κίνηση θετικού φορτίου και αρνητικού φορτίου που χωρίζονται μεταξύ τους)
Εδώ, η τάση, που συμβολίζεται με V, θα είναι:
V =Q/C
C=Χωρητικότητα.
Η συνολική εργασία που έχει κάνει η μπαταρία εδώ μπορεί να εκφραστεί ως:
W=1/2CV2
Εδώ, η ενέργεια που αποθηκεύεται στην μπαταρία μεταφέρεται στον πυκνωτή.
Τώρα πρέπει να καταλάβουμε πού ακριβώς αποθηκεύεται η αναφερόμενη ενέργεια:
Μπορούμε να υποθέσουμε ότι αυτή η ενέργεια έχει παγιδευτεί στα μεμονωμένα φορτία. που μπορεί να εκφραστεί ως:
U =(½) (Q2/C)
Επιπλέον, μπορεί επίσης να υποτεθεί ότι αυτή η ενέργεια αποθηκεύεται στο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται λόγω του διαχωρισμού θετικών και αρνητικών φορτίων.
U=(½) (CV2)
Η ενεργειακή πυκνότητα του ηλεκτρικού πεδίου εξαρτάται από την περιοχή (A) και το διάστημα (D) μεταξύ των φορτίων. Σκεφτείτε το εξής:
V=Ed (δυνητική διαφορά)
C=E 0 A/D (χωρητικότητα)
Παραγωγή του ίδιου:
U =1/2 E 0E2(A*D)
Εδώ:
1/2 E 0E2– Όπως αναφέρθηκε, αυτό υπολογίζει την ενεργειακή πυκνότητα/όγκο
(A*D) =Μάζα μεταξύ των φορτίσεων
Στην περιοχή μεταξύ αυτών των φορτίων, θα υπάρχει ένα ηλεκτρικό πεδίο που θα είναι σταθερό στη φύση. Θα παρατηρήσουμε μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο όταν ληφθεί υπόψη η περιοχή έξω από τον αναφερόμενο χώρο.
Αποθηκευμένη ενέργεια σε ηλεκτρικό πεδίο
Η εμφάνιση ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό πεδίο έρχεται ως αποτέλεσμα της αντίδρασης διεγερμένων φορτίων στο κενό. Η παρουσία ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να θεωρηθεί ως δυνητική ενέργεια που προκύπτει από την εφαρμογή δύναμης στο πεδίο.
Η χωρητικότητα ενός ηλεκτρικού πεδίου αντιπροσωπεύει την ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύει. Μπορεί να ληφθεί ως δύναμη στην περιοχή που περιέχει το φορτίο του μονωτή ή του διπόλου, όπως παρατηρείται σε έναν πυκνωτή. Το κενό μεταξύ των πλακών του πυκνωτή καθορίζει την χωρητικότητα του ηλεκτρικού πεδίου. Καθώς το διάκενο μειώνεται, η χωρητικότητα αυξάνεται και αντίστροφα. Το κύριο αποτέλεσμα αυτού είναι η πιθανότητα υψηλής τάσης σε περίπτωση ροής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής πυκνότητας.
Ο νόμος του Coulomb για την ηλεκτροστατική δύναμη δηλώνει ότι δύο ίσα αλλά αντίθετα φορτία έλκονται μεταξύ τους. Αυτά τα φορτία επιταχύνονται και συγκρούονται στο κέντρο. Σύμφωνα με τη θεωρία, όταν παρατηρούνται από το κέντρο, τα φορτία φαίνεται να έλκονται αμοιβαία στο κέντρο αντί να έλκονται το ένα από το άλλο. όπου το κέντρο έχει την εμφάνιση μιας οπής δίνης μέσα στην οποία αναρροφούνται τα φορτία. Αυτή είναι μια σημαντική έννοια στη συμβατική ηλεκτρική ενέργεια. Ο αρνητικός ή αντίθετος χώρος του ηλεκτρικού πεδίου αντιπροσωπεύεται από αυτήν την τρύπα στο χώρο. Ο μαγνητισμός καταλαμβάνει χώρο. Η ηλεκτρική ενέργεια είναι τόσο μη χωρική όσο και αντιχωρική. Σε μια πιο βαθιά κατανόηση της ηλεκτρικής ενέργειας, μια γενική ιδέα θα ήταν ότι η ενέργεια αποθηκεύεται σε αντίθετο χώρο.
Ένα συμπιεσμένο σπειροειδές ελατήριο είναι ανάλογο με μια ηλεκτρική γραμμή δύναμης. Η τάση στο ελατήριο αντιπροσωπεύει τη δυναμική ενέργεια, η οποία μετράται σε βολτ. Η χωρητικότητα ενός υλικού καθορίζεται από το πόσο μπορεί να πιεστεί σε ένα τεντωμένο ελατήριο.
Παραδείγματα υπολογισμών της ενεργειακής πυκνότητας σε ηλεκτρικό πεδίο
Η ενεργειακή πυκνότητα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να υπολογιστεί όπως φαίνεται στο ακόλουθο παράδειγμα.
Για παράδειγμα:
Η τιμή ενός ηλεκτρικού πεδίου σε μια δεδομένη περιοχή είναι 8*107V/m. Υπολογίστε την ηλεκτρική πυκνότητα του χώρου.
Λύση:
Γνωρίζουμε ότι η ενεργειακή πυκνότητα είναι:
UE =1/2E0E2
Δίνεται το E0 =8,85×10−12C2N−1m−2; (διαπερατότητα κενού)
Έτσι, μεταφέροντας τις τιμές στην εξίσωση, θα έχουμε
UE =1/2 ×8,85×10−12× (8×107)2
Η επίλυση της εξίσωσης θα λάβει την τιμή των 28320 joules ως ενεργειακή πυκνότητα στο ηλεκτρικό πεδίο.
Σημειώσεις σχετικά με την ενεργειακή πυκνότητα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο
- Ένα σύστημα ή υλικό με μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να αποθηκεύσει μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας στη μάζα του.
- Η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα ευρύ φάσμα ουσιών και συστημάτων. Όλα τα υλικά έχουν αποθηκευμένη ενέργεια σε διάφορα συστήματα, όπως η χημική ενέργεια, η ηλεκτροχημική ενέργεια και η πυρηνική ενέργεια. Αυτές οι ενέργειες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διάφορους σκοπούς.
- Η ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να οριστεί ως η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα όγκου ή μάζας ή η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα σύστημα, υλικό ή περιοχή του χώρου.
- Η ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να εκφραστεί ως ενέργεια ανά όγκο ή ενέργεια ανά μάζα.
- Τις περισσότερες φορές, μόνο η εξαγώγιμη ενέργεια μετριέται κατά τον υπολογισμό της ποσότητας ενέργειας σε ένα σύστημα.
- Η ενεργειακή πυκνότητα υποδηλώνεται συχνά με U στις επιστημονικές εξισώσεις.
- Η ενέργεια αποθηκεύεται επίσης σε μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία.
- Ο τύπος για την πυκνότητα/όγκο ενέργειας κατά την εξέταση ενός ηλεκτρικού πεδίου είναι:
UE =1/2E0E2
- Ο τύπος για την πυκνότητα/όγκο ενέργειας κατά την εξέταση ενός μαγνητικού πεδίου είναι:
UB =B2/(2µ0)
Συμπέρασμα
Η ενεργειακή πυκνότητα είναι η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα όγκου ή μάζας ή η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα σύστημα , υλικό ή περιοχή του χώρου. Η έννοια της ενεργειακής πυκνότητας σε ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι σημαντική καθώς βασίζεται στην έννοια της δυνητικής ενέργειας και βοηθά στην κατανόηση του πώς λειτουργεί η έννοια της ενεργειακής πυκνότητας σε διάφορα μοντέλα. Προσθέτοντας την πυκνότητα των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, μπορούμε να υπολογίσουμε τη συνολική πυκνότητα.
