Basiswissen

Ein Kondensator speichert elektrische Energie durch Ladungstrennung. Eine Besonderheit ist, dass der Kondesator die Energie schnell aufnehmen und schnell abgeben kann. Hier stehen weitere Erklärungen und Formeln.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Man sieht einen Zylinderkondensator.☛

Definition

Ein Kondensator besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Platten, die sehr nah zueinander angeordnet sind, sich aber nicht berühren.^[2] Oft ist der Raum zwischen den Platten mit einem elektrischen Isolator ausgefüllt (Dielektrikum). Bringt man auf die eine Platte elektrische positive Ladungen und auf die andere Platte elektrisch negative Ladung, dann ziehen sie sich gegenseitig an und halten sich somit gegenseitig auf den Platten fest. Zwischen den Platten entsteht dadurch ein (starkes) elektrisches Feld, in dem elektrische Energie gespeichert ist.

Mathematisch

Kapazität: C

Kapazität: C = Q/U

Kapazität: C = ɛ₀·ɛᵣ·A/d

Energieinhalt: E = ½·C·U²

Mehr unter Kondensatorformeln ↗

Kapazitität

Einen Kondensator lädt man dadurch auf, dass man eine eletrische Gleichspannung anlegt. Eine der zwei Platten wird mit dem Pluspol verbunden, die andere Platte mit dem Minuspol. Die Spannung Der Pluspol zieht die Elektronen von einer Kondensatorplatte ab und "pumpt" sie über den Minuspol auf die anderen Kondensatorplatte. Je höher die angelegte Spannung, desto mehr getrennte Ladung kann ein Kondensator auf seinen Platten halten. Wie viel Coulomb Ladung Q man pro Volt angelegter Spannung U speichern kann nennt man C. Die Formel dazu ist: C=Q/U. Mehr dazu unter Kondensatorkapazität ↗

Energiespeicher

Die in einem Kondensator gespeicherte Energie ist im Vergleich zu einer Batterie eher niedrig. Der große Vorteil ist, dass die Energie sehr schnell freigegeben werden. Zudem sind Kondensatoren verhältnismäßig einfache Bauteile ohne verschleißanfälligen Chemismus. Die speicherbare Energiemenge berechnet sich zu E = C·U². Siehe auch Kondensatorformeln ↗

Ladevorgang

Legt man eine elektrische Spannung an die Platten an, werden Elektronen von der einen Platte auf die andere bewegt. Dadurch lädt sich die Platte am Minuspol negativ auf, die am Pluspol lädt sich durch das Elektronendefizit positiv. Am zeitlichen Anfang der Aufladung wechseln viele Elektronen pro Zeit von einer Platte zur anderen, der Ladestrom ist also hoch. Mit zunehmender Zeit wird der Strom immer kleiner, er geht mathematisch gesehen asymptotisch gegen Null. Die Spannung zwischen den Kondensatorplatten verhält sich dazu umgekehrt: sie ist am Anfang niedrig und strebt mit der Zeit asympotisch gegen den Wert der angelegten Spannung. Siehe auch Kondensatoraufladung ↗

Entladevorgang

Die Entladung erfolgt analog zur Ladung: am Anfang fließt einer hoher Entladestrom, der mit der Zeit asymptotisch gegen 0 geht. Gleichzeitig fällt die Spannung zwischen den Platten ebenfalls und asymptotisch auf 0 ab. Siehe auch Kondensatorentladung ↗

Die Rolle des Dielektrikum =====

Das Dielektrikum als Abstandshalter

Das Dielektrikum, oft ein Feststoff, dient zunächst als Abstandshalter zwischen den Kondensatorplatten. Es verhindert damit, dass sich die Kondensatorplatten gegenseitig berühren und somit ein unerwünschter Kurzschluss entsteht.

Das Dielektrikum als Kapazitätserhöher

Zum anderen erhöht das Dielektrikum die Kapazität des Kondensators: bei einem Dielektrikum können die Elektronen nicht frei fließen. In einem äußeren elektrischen Feld werden die Elektronen aber im zeitlichen Mittel innerhalb eines Atoms hin zu positiven Platte des Kondensators bewegt, während die Atomkerne etwas hin zur negativen Platte bewegt gedacht werden. Diesen Effekt nennt man Influenz. Durch diese Verschiebung der Ladungen innerhalb des Dielektrikums wird das eigentliche Kondensatorfeld geschwächt.

MERKSATZ:

C = ɛ₀·ɛᵣ·A/d

Damit kann der Kondensator bei gleicher angelegter Spannung aber wiederum mehr Ladungen auf seinen Platten aufnehmen. Diese Erhöhung der Kapazität des Kondensators (in Farad) ist ein zweiter gewünschter Effekt des Dielektrikums. Die Stärke dieses Effektes wird durch die sogenannte Permittivitätszahl, Dielektrizitätszahl^[1] oder spezifische Permittivität ɛᵣ angegeben. Typische Stoffe für ein Dielektrikum von Kondensatoren sind Keramiken oder Kunststoffe. Zahlenwerte für die ɛᵣ-Werte verschiedener Materialien stehen im Artikel zur Permittivitätszahl ↗

Fußnoten

[1] Das Spektrum Lexikon der Physik bezeichnet die "relative Dielektrizitätskonstante" als "εᵣ, Dielektrizitätszahl, Dielektrizität, Permittivitätszahl" und als "(dimensionsloses) Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten in Materie und im Vakuum: εr = ε/ε₀". Das kleine ε (Epsilon) ist dabei die "Dielektrizitätskonstante, ε, DK, Permittivität, Influenzkonstante, elektrische Feldkonstante". In: der Artikel "Dielektrizitätskonstante". Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/dielektrizitaetskonstante/3040

[2] "Unter einem elektrischen Kondensator verstehen Physiker und Elektrotechniker im Prinzip zwei gegeneinander isolierte Metallplatten, zwischen denen ein elektrisches Feld aufgebaut werden kann." In: Walter Robert Fuchs: Moderne Physik. Mit einem Geleitwort von Nobelpreisträger Professor Dr. Max Born. Manfred Pawlak Verlagsgesellschaft. Herrsching. Etwa 1965. Dort im Kapitel "2.3 Feldlinien bewegen Elektronen". Seite 42.