Енергія зарядженого конденсатора
~15 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + фізика.
Енергія електричного поля конденсатора — це робота, яку виконало джерело струму, щоб розділити заряди на обкладках. Ти навчишся обчислювати її за трьома еквівалентними формулами й визначати, як вона змінюється після зміни відстані, діелектрика чи з'єднання конденсаторів.
Коли ми заряджаємо конденсатор, зовнішні сили (від джерела струму) виконують роботу з розділення зарядів: електрони переходять з однієї обкладки на іншу. Ця робота не зникає — вона накопичується у вигляді енергії електричного поля, зосередженого між обкладками. Чим більший заряд і чим більша напруга, тим більша енергія.
Енергія зарядженого конденсатора виражається трьома еквівалентними формулами. Вибір залежить від того, які величини відомі:
через ємність і напругу: W = C·U²/2
через заряд і напругу: W = q·U/2
через заряд і ємність: W = q²/(2C)
Усі три формули еквівалентні, оскільки для конденсатора виконується співвідношення q = CU. Підставивши q = CU у W = qU/2, отримаємо W = CU²/2; підставивши U = q/C — отримаємо W = q²/(2C). Тому на практиці обирають ту форму, де дві величини з трьох (C, U, q) відомі або залишаються сталими.
Звідки береться множник 1/2?
Уявімо графік залежності напруги U від заряду q для конденсатора. Оскільки U = q/C, це пряма лінія, що проходить через початок координат. Робота з перенесення заряду дорівнює площі під цією прямою. Площа трикутника з основою q і висотою U дорівнює q·U/2. Саме тому в усіх формулах фігурує множник 1/2 — він відображає той факт, що напруга зростає поступово, від нуля до кінцевого значення, а не подається одразу.
Приклад. Конденсатор ємністю C = 10 мкФ заряджено до напруги U = 200 В. Знайдемо енергію. Переведемо в СІ: C = 10·10⁻⁶ Ф = 10⁻⁵ Ф. Тоді:
W = C·U²/2 = 10⁻⁵·(200)²/2 = 10⁻⁵·4·10⁴/2 = 0,4/2 = 0,2 Дж
Отже, конденсатор накопичив 0,2 Дж енергії. Ця енергія зберігається в електричному полі між обкладками й може бути вивільнена під час розряджання.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Вибір правильної формули для енергії конденсатора залежить від того, яка величина залишається незмінною під час зміни параметрів конденсатора. Найважливіше розрізняти два випадки: конденсатор від'єднаний від джерела (заряд q не змінюється) і конденсатор приєднаний до джерела (напруга U не змінюється).
Від'єднаний конденсатор: q = const
Коли конденсатор зарядили, а потім від'єднали від джерела, заряд на обкладках залишається незмінним. У цьому випадку зручно використовувати формулу W = q²/(2C). Оскільки q стала, енергія обернено пропорційна ємності: W ∝ 1/C. Якщо ємність зменшується, енергія зростає, і навпаки.
Приєднаний до джерела конденсатор: U = const
Якщо конденсатор залишається приєднаним до джерела напруги, то напруга на його обкладках фіксована. У цьому випадку зручно використовувати формулу W = CU²/2. Оскільки U стала, енергія прямо пропорційна ємності: W ∝ C. Якщо ємність зростає, енергія також зростає.
Як змінюється енергія під час зміни відстані між пластинами
Розглянемо від'єднаний конденсатор, відстань між пластинами якого збільшили вдвічі. Ємність плоского конденсатора C = ε₀εS/d, тому зі збільшенням d вдвічі ємність C зменшується вдвічі. Оскільки q = const, енергія W = q²/(2C) зростає вдвічі. Звідки береться додаткова енергія? Її виконують зовнішні сили, які розсувають пластини, долаючи силу електростатичного притягання між різнойменними зарядами. Робота цих сил переходить в енергію електричного поля.
Як змінюється енергія під час заповнення діелектриком
Якщо простір між обкладками заповнюють діелектриком з діелектричною проникністю ε, ємність зростає в ε разів. Подальша зміна енергії залежить від того, чи від'єднаний конденсатор:
Умова | Стала величина | Формула | Зміна W |
|---|---|---|---|
Від'єднаний | q = const | W = q²/(2C) | W зменшується в ε разів |
Приєднаний | U = const | W = CU²/2 | W зростає в ε разів |
Чому в приєднаному конденсаторі енергія зростає? Джерело напруги виконує додаткову роботу, переміщуючи нові заряди на обкладки, адже ємність зросла, а напруга залишається сталою. Тому заряд q = CU збільшується, а разом із ним зростає й енергія.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Окремий важливий випадок — з'єднання зарядженого конденсатора з незарядженим. Розглянемо, що відбувається з енергією.
Заряджений і незаряджений конденсатори однакової ємності
Нехай конденсатор ємністю C заряджено до напруги U₀, тобто його заряд q₀ = CU₀, а енергія W₀ = CU₀²/2. Потім його з'єднують паралельно з таким самим незарядженим конденсатором (теж ємністю C). Що станеться?
Закон збереження заряду: початковий заряд q₀ розподілиться між двома конденсаторами. Оскільки вони однакові й з'єднані паралельно, напруга на них буде однаковою, а заряд — порівну: q₁′ = q₂′ = q₀/2 = CU₀/2. Нова напруга на кожному конденсаторі: U = q₁′/C = U₀/2.
Загальна енергія системи після з'єднання:
W = 2·C·U²/2 = C·(U₀/2)² = CU₀²/4 = W₀/2
Енергія зменшилась удвічі! Куди поділась половина енергії? Під час з'єднання через провідники протікає струм перезаряджання, який виділяє теплоту в проводах, а за дуже великого струму виникає іскра — частина енергії переходить у тепло й випромінювання. Тому закон збереження енергії виконується лише з урахуванням теплових втрат.
Закон збереження заряду
Важливо пам'ятати: закон збереження електричного заряду діє завжди. Для системи з двох конденсаторів: q₁ + q₂ = q₁′ + q₂′. А от енергія зберігається лише разом із теплотою: W₁ + W₂ = W₁′ + W₂′ + Q, де Q — теплота, що виділилась.
Приклади застосування
Здатність конденсатора швидко віддавати накопичену енергію використовують у багатьох пристроях:
Спалах фотоапарата: конденсатор заряджається повільно (1–5 с), а потім розряджається через газорозрядну лампу за ~1 мс. Велика потужність
P = W/tдає яскравий спалах.Дефібрилятор: конденсатор накопичує 200–400 Дж і розряджається через грудну клітку пацієнта за кілька мілісекунд, відновлюючи нормальний ритм серця.
Імпульсні лазери: конденсаторні батареї створюють потужні імпульси для накачування лазерного середовища.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Пряме обчислення енергії через C і U
Конденсатор ємністю 20 мкФ заряджено до напруги 100 В. Визнач енергію конденсатора в міліджоулях (мДж).
Розв'язання. Переведемо ємність у СІ: C = 20 мкФ = 20·10⁻⁶ Ф = 2·10⁻⁵ Ф. Напруга U = 100 В. Оскільки відомі C і U, використовуємо формулу W = CU²/2:
W = 2·10⁻⁵·(100)²/2 = 2·10⁻⁵·10⁴/2 = 0,2/2 = 0,1 Дж
Переведемо в міліджоулі: 0,1 Дж = 100 мДж.
Відповідь: 100 мДж.
Типова помилка: забути поділити на 2 й отримати 200 мДж, або не перевести мкФ у Ф, що дасть 10⁵ Дж — абсурдно велике число.
Приклад 2. Обчислення енергії через q і C
Заряд конденсатора становить 400 мкКл, а його ємність — 8 мкФ. Знайди енергію конденсатора в міліджоулях (мДж).
Розв'язання. Переведемо в СІ: q = 400 мкКл = 400·10⁻⁶ Кл = 4·10⁻⁴ Кл; C = 8 мкФ = 8·10⁻⁶ Ф. Відомі q і C, тому беремо формулу W = q²/(2C):
W = (4·10⁻⁴)²/(2·8·10⁻⁶) = 16·10⁻⁸/(16·10⁻⁶) = 10⁻² Дж = 0,01 Дж = 10 мДж
Відповідь: 10 мДж.
Типова помилка: використати формулу W = qU/2, не знаючи U, або забути звести q у квадрат.
Приклад 3. Від'єднаний конденсатор і діелектрик
Від'єднаний від джерела заряджений конденсатор повністю заповнили діелектриком з діелектричною проникністю ε = 3. Як змінилась енергія конденсатора?
А) збільшилась у 3 рази
Б) зменшилась у 3 рази
В) не змінилась
Г) збільшилась у 9 разів
Розв'язання. Конденсатор від'єднаний, тому заряд q залишається сталим. Використовуємо формулу W = q²/(2C). Діелектрик збільшує ємність у ε = 3 рази: C′ = εC = 3C. Тоді нова енергія:
W′ = q²/(2·3C) = (1/3)·q²/(2C) = W/3
Енергія зменшилась у 3 рази.
Відповідь: Б) зменшилась у 3 рази.
Чому не А? Варіант «збільшилась у 3 рази» правильний для приєднаного конденсатора (U = const), але тут конденсатор від'єднаний. Варіант Г (у 9 разів) виникає, якщо помилково застосувати W = CU²/2 і вважати, що U теж змінюється.
Приклад 4. Від'єднаний конденсатор і зміна відстані
Від'єднаний від джерела заряджений конденсатор: відстань між його пластинами збільшили втричі. Як змінилась енергія конденсатора?
А) збільшилась у 3 рази
Б) зменшилась у 3 рази
В) не змінилась
Г) зменшилась у 9 разів
Розв'язання. Конденсатор від'єднаний, тому q = const. Ємність плоского конденсатора C = ε₀S/d. Збільшення d втричі зменшує C втричі: C′ = C/3. За формулою W = q²/(2C):
W′ = q²/(2·C/3) = 3·q²/(2C) = 3W
Енергія збільшилась у 3 рази.
Відповідь: А) збільшилась у 3 рази.
Чому не Б? Варіант «зменшилась у 3 рази» був би правильним для приєднаного конденсатора (U = const), де W = CU²/2 і зменшення C веде до зменшення W. Чому не Г? Помилка виникає, якщо помножити зміну C на зміну U, ніби змінюються обидві величини.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Записувати W = qU без множника 1/2. Це найпоширеніша помилка. Енергія конденсатора — це не добуток q·U, а половина цього добутку, тому що напруга зростає поступово від 0 до U. Правильно: W = qU/2.
Використовувати W = CU²/2 із незмінною U для від'єднаного конденсатора. Якщо конденсатор від'єднано від джерела, заряд q сталий, а напруга U змінюється разом з ємністю. Формула W = CU²/2 тут не працює, бо U не є сталою. Для від'єднаного конденсатора завжди використовуй W = q²/(2C).
Плутати заряд конденсатора з енергією. Заряд q вимірюється в кулонах (Кл), енергія W — у джоулях (Дж). Вони пов'язані формулами, але це різні фізичні величини. Наприклад, конденсатор може мати великий заряд, але малу енергію, якщо напруга мала.
Вважати, що енергія завжди зберігається під час з'єднання конденсаторів. Закон збереження енергії виконується завжди, але частина енергії переходить у теплоту. Коли заряджений конденсатор з'єднують з незарядженим, половина енергії може виділитись у вигляді тепла. Заряд зберігається повністю, а енергія — ні.
Не переводити мкФ, мкКл у СІ. Мікрофаради (мкФ) і мікрокулони (мкКл) — це 10⁻⁶ від основної одиниці. Якщо підставити 20 мкФ як 20, а не 2·10⁻⁵ Ф, результат буде хибним. Завжди переводь у СІ перед обчисленням.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Довідкові матеріали НМТ містять енергію конденсатора в трьох формах: W = CU²/2 = qU/2 = q²/(2C). Жодна з них не позначена як «головна» — вибір форми й розрізнення приєднаного та від'єднаного конденсаторів треба виконувати самому.
Програма НМТ з фізики (тема 3.1 «Основи електростатики») вимагає вміти обчислювати енергію зарядженого конденсатора. У демонстраційному варіанті 2026 року тема 3.1 представлена завданнями № 7 і № 20. Завдання можуть бути як розрахунковими (коротка відповідь — число), так і якісними (вибір однієї правильної відповіді).
Стратегія розв'язування
Щоб не помилитись, дотримуйся такого алгоритму:
Визнач, чи конденсатор від'єднаний від джерела (q = const), чи приєднаний до нього (U = const).
Запиши, яка величина стала: заряд q або напруга U.
Візьми ту формулу, де стала величина входить без змін: для q = const — W = q²/(2C); для U = const — W = CU²/2.
Якщо відомі дві величини з трьох (C, U, q), просто підстав їх у зручну формулу.
Перевір одиниці: переведи мкФ, мкКл у СІ (помнож на 10⁻⁶).
Пам'ятай: у завданнях на зміну енергії ключове — визначити, що стале: q чи U. Саме це визначає, чи енергія зросте, чи зменшиться.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому в енергії конденсатора є множник 1/2?
Тому що напруга на конденсаторі під час заряджання зростає поступово — від 0 до кінцевого значення U. Якщо зобразити графік залежності U від q, це буде пряма лінія U = q/C. Робота з перенесення заряду дорівнює площі під цією прямою, а площа прямокутного трикутника з катетами q і U дорівнює q·U/2. Якби напруга одразу стала U, робота була б q·U, але в реальності перші порції заряду переносяться за малої напруги, тому загальна робота вдвічі менша.
Де зосереджена енергія зарядженого конденсатора?
Енергія зосереджена в електричному полі між обкладками конденсатора. Саме поле є носієм енергії. Коли конденсатор розряджається, електричне поле зникає, а його енергія переходить в інші форми — теплоту, світло, механічну роботу. Об'ємна густина енергії електричного поля пропорційна квадрату напруженості: w = ε₀εE²/2.
Чому після з'єднання конденсаторів енергія зменшується, хоч заряд зберігається?
Закон збереження заряду діє завжди: сумарний заряд системи не змінюється. Однак енергія не обов'язково зберігається в тій самій формі. Коли заряджений конденсатор з'єднують з незарядженим, через провідники протікає струм, який нагріває їх (виділяється теплота Q). Крім того, за великого струму може виникнути іскра — енергія витрачається на світло й звук. Тому повний закон збереження енергії має вигляд: W₁ + W₂ = W₁′ + W₂′ + Q. Частина початкової енергії перетворюється на теплоту, тому електрична енергія системи зменшується.
Як змінюється енергія, якщо розсунути пластини від'єднаного конденсатора?
Якщо конденсатор від'єднаний від джерела, заряд q на обкладках залишається сталим. Збільшення відстані d між пластинами зменшує ємність C (бо C = ε₀S/d). Оскільки енергія W = q²/(2C), зменшення C веде до зростання W. Додаткова енергія надходить від зовнішніх сил, які розсувають пластини, долаючи силу електростатичного притягання між різнойменними зарядами. Робота цих сил переходить безпосередньо в енергію електричного поля. Отже, енергія збільшується пропорційно до збільшення відстані.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Енергія зарядженого конденсатора: W = CU²/2 = qU/2 = q²/(2C)
Від'єднаний конденсатор (q = const): використовуй W = q²/(2C)
Приєднаний до джерела (U = const): використовуй W = CU²/2
Від'єднаний конденсатор + діелектрик: енергія зменшується в ε разів
Приєднаний конденсатор + діелектрик: енергія зростає в ε разів
Від'єднаний конденсатор + збільшення відстані: енергія зростає (робота зовнішніх сил)
З'єднання зарядженого й незарядженого конденсаторів: заряд зберігається, але частина енергії втрачається (переходить у теплоту)
Завжди переводь мкФ, мкКл у СІ (помнож на 10⁻⁶) перед обчисленням
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Конденсатор ємністю 5 мкФ заряджено до напруги 200 В. Яка енергія електричного поля конденсатора?
2. Конденсатор приєднано до джерела постійної напруги. Відстань між пластинами збільшили вдвічі. Як змінилася енергія конденсатора?
3. Від'єднаний від джерела заряджений конденсатор заповнили діелектриком із діелектричною проникністю ε = 2. Як змінилася енергія конденсатора?
4. Заряджений конденсатор ємністю C з напругою U з'єднали паралельно з таким самим незарядженим конденсатором. Як змінилась енергія системи?
5. Від'єднаний від джерела заряджений конденсатор заповнили діелектриком з ε = 3 і водночас збільшили відстань між пластинами втричі. Як змінилася енергія конденсатора?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 9 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест