Un uso importante de los capacitores consiste en almacenar energía electrostática en aplicaciones que incluyen desde linternas hasta sistemas láser; ambos se basan en la carga y descarga de los capacitores.

Anteriormente , se demostró que cualquier configuración de carga tiene cierta energía potencial eléctrica U, igual al trabajo W (que puede ser positivo o negativo) efectuado por un agente externo que produce la configuración de carga de sus componentes individuales; inicialmente se supone que se encuentran muy lejos y en reposo. Esta energía potencial se parece a la de los sistemas mecánicos; por ejemplo, un resorte comprimido o el sistema Tierra-Luna.

He aquí un ejemplo simple: se realiza trabajo cuando separamos dos cargas iguales y opuestas. La energía se almacena en forma de energía potencial electrica dentro del sistema ; puede recobrarse como energía cinética si se permite que las cargas vuelvan a reunirse. De modo similar, un capacitor cargado tiene guardada una energía potencial eléctrica U igual al trabajo W efectuado por el agente externo al cargar al capacitor. Esa energía se recupera si se permite que el capacitor se descargue. Otra forma de visualizar el trabajo de cargar un capacitor consiste en imaginar que un agente externo extrae electrones de la placa positiva y los lleva a la placa negativa , produciendo con ello una separación de carga. Normalmente, el trabajo de cargar lo hace una batería a costa de su depósito de energía química.

Supóngase que en el tiempo t una carga q´ha sido transferida de una placa a otra. La diferencia de potencial ∆V´entre las placas en ese momento es ∆V'=q´/C. Si ahora se transfiere un elemento diferencial de carga dq´, según la ecuación              ∆V = ∆U/q₀ , el correspondiente cambio resultante dU en la energía potencial eléctrica es

Si el proceso continúa hasta que se transfiere una carga total q, la energía potencial total es

(6)

o bien

(7)

Con base en la relación q = C∆V, la expresión anterior también puede escribirse así

(8)

¿Donde se encuentra esta energía? Las ecuaciones (7) y (8) no nos dan una respuesta directa, pero podemos determinar el sitio de la energía almacenada razonando en los siguientes términos. Supóngase que tenemos un capacitor aislado de placas paralelas (es decir, no conectado a una batería) que tiene la carga q. Sin modificar q, separamos las placas hasta que su separación sea el doble de la que había al inicio. Si la separación d es del doble, la capacitancia alcanza apenas la mitad de su tamaño. La ecuación (7) indica que se duplicará la energía almacenada, si C adquiere este tamaño. Al separar las placas no modificamos las placas del capacitor; por tanto, no sería razonable concluir que allí se guarda energía adicional.

Lo que hicimos fue duplicar el volumen del espacio entre ellas; y como la energía también se duplica, parece razonable concluir que esta energía potencial eléctrica está en el volumen entre las placas. Mas concretamente, la energía se almacena en el campo eléctrico que está en esa región.

En un capacitor de placas paralelas, despreciando el efecto de bordes, el campo eléctrico posee el mismo valor en todos los puntos entre las placas. Basándonos en la conclusión de que la energía se halla en el campo, se deduce que la densidad de energía u , o sea la energía almacenada por unidad de volumen, también debe ser la misma en todas las partes de las placas; u está dada por la energía almacenada U, dividida entre el volumen Ad, o sea
 

Al sustituir la relación C = ε₀A/d , se obtiene

Sin embargo, ∆V/d es el campo eléctrico E; así que

La ecuación anterior es, en general, verdadera aunque la obtuvimos en el caso especial de un capacitor de placas paralelas. Si un campo eléctrico E existe en cualquier punto del espacio vacío (en un vacío). podemos considerar este último como el sitio donde está la energía almacenada en la cantidad por unidad de volumen de 1/2 ε₀ E².

En términos generales, E varía con la posición y, por lo mismo, u es una función de las coordenadas. En el caso especial del capacitor de placas paralelas, E y u no varían con la posición en la región entre las placas.

La mitad de la Energía almacenada está contenida dentro de la superficie esférica cuyo radio es el doble de la esfera conductora.

Capacitor con Dieléctrico

Anteriormente hemos explicado el efecto de aplicar un campo eléctrico a un material aislante (un dieléctrico). Demostramos que consiste en reducir la intensidad del campo en su interior de su valor inicial E₀ en el vacío a E=E₀ /k_e dentro del dieléctrico. El parámetro k_e , la constante dieléctrica, posee valores mayores que 1 en todos los materiales; así que el campo eléctrico en el dieléctrico es menor que el del vacío.

El efecto de llenar un capacitor con dieléctrico depende de lo que hagamos con la batería conectada (como en el experimento de Faraday) o desconectada. Consideremos primero la situación del experimento de Faraday. Un capacitor con una capacitancia C está conectado a una batería de diferencia de potencial ∆V y se permite que se cargue por completo, de modo que las placas contengan una carga q, como se muestra en la figura. Con la batería conectada, llenamos entonces el interior del capacitor con un material de constante dieléctrica k_e , como se ve en la figura. La batería conserva la misma diferencia de potencial ∆V en las placas.