55. ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА. ПРИМЕНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ
Энергия заряженного конденсатора. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить рабогу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии эта работа равна энергии, приобретаемой конденсатором.
В том, что заряженный конденсатор обладает энергией, можно
убедиться, если разрядить конденсатор, например лейденскую банку, с помощью специального разрядника (рис. 138). При этом между шариком разрядника и обкладкой конденсатора проскакивает искра. Энергия конденсатора превращается в другие формы: механическую, световую, тепловую. Чем больше электроемкость конденсатора и напряжение, тем мощнее будет искра.
Выведем формулу для энергии плоского конденсатора. Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна 
где Е — напряженность поля в конденсаторе (см. § 54).
В однородном поле одной пластины находится заряд 
распределенный по поверхности другой пластины (рис. 139). Согласно формуле (8.19) для потенциальной энергии заряда в однородном поле энергия конденсатора равна:
где 
— заряд конденсатора, 
расстояние между пластинами.
Так как 
— разность потенциалов между обкладками конденсатора, то его энергия равна:
Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин вплотную.
Рис. 138
Рис. 139
Заменив в формуле (8.32) либо разность потенциалов, либо заряд с помощью выражения (8.29) для электроемкости конденсатора, получим:
Можно доказать, что эти формулы справедливы для энергии любого конденсатора, а не только плоского.
Энергия электрического поля. Согласно теории близкодействия вся энергия взаимодействия заряженных тел сконцентрирована в электрическом поле этих тел. Значит, энергия может быть выражена через основную характеристику поля — напряженность.
Подставим в формулу (8.33) значение электроемкости плоского конденсатора (см. 8.30) и выразим разность потенциалов в этой формуле через напряженность поля: 
Тогда энергия конденсатора будет равна:
Разделив (8.34) на объем 
занятый полем, получим энергию, приходящуюся на единицу объема, т. е. плотность энергии:
Эта формула справедлива не только для однородного поля плоского конденсатора, но и для любого другого электростатического поля. Более того, полученное выражение для плотности энергии оказывается справедливым и для переменных электрических полей.
Применения конденсаторов. Энергия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей. К тому же она не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда. Поэтому заряженные конденсаторы не могут заменить, например, аккумуляторов в качестве источников электрической энергии.
Но это совсем не означает, что конденсаторы как накопители энергии не получили практического применения. Они имеют одно важное свойство. Конденсатор может накапливать энергию более или менее длительное время, а при разрядке его через цепь малого сопротивления он отдает энергию почти мгновенно. Вот это свойство и используют широко на практике.
Лампа-вспышка, например, применяемая в фотографии, питается током разряда конденсатора, заряжаемого предварительно специальной батареей. Возбуждение квантовых источников света — лазеров — осуществляется с помощью газоразрядной трубки, вспышка которой происходит при разрядке батареи конденсаторов большой электроемкости.
Однако основное применение конденсаторы находят в радиотехнике. Конденсаторы используются в различных электрических
цепях для получения определенного изменения напряжения за счет изменения заряда. Причем конденсаторы большой электроемкости способны накапливать или отдавать большой заряд без значительного изменения напряжения.
1. При каком условии можно накопить на проводниках большой электрический заряд? 2. Что называют электроемкостью двух проводников? 3. Почему понятие электроемкости не применимо к диэлектрикам? 4. От чего зависит электроемкость? 5. Дайте определение единицы электроемкости. 6. Чему равна электроемкость плоского конденсатора? 7. Чему равна энергия конденсатора? 8. Перечислите основные применения конденсаторов.
