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Kondensator

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Kondensator

Ein Kondensator ist ein Bauelement, welches in der Physik dazu genutzt wird elektrische Ladung, also elektrische Energie zu speichern. Wie genau das möglich ist werden wir dir heute in diesem Artikel erklären. Viel Spaß bei dem Lesen!

Wie ist ein Kondensator aufgebaut?

Kondensatorarten

Wie genau ein Kondensator aufgebaut ist, lässt sich pauschal nicht sagen. Denn es gibt sehr viele verschiedene Kondensatorarten wie zum Beispiel

  • Festkondensatoren
    • Sie erfüllen folgende Anforderungen: Spannungsfestigkeit Strombelastbarkeit, Kapazitätsstabilität
  • Keramikkondensator
    • Kommen eher bei kleineren Kapazitätsbereichen zum Einsatz
  • Metallpapierkondensatoren
    • Sie finden vor allem Anwendung in dem Bereich der Leistungselektronik

Der geläufigste Kondensator jedoch, ist der Plattenkondensator. Diesen werden wir uns genauer anschauen.

Aufbau eines Plattenkondensators

Diese Art besteht aus:

  • Zwei Metallplatten
  • Und einem Isolator/ Dielektrikum

Abb. 1: Plattenkondensator(Quelle: www.leifiphysik.de)

Grundsätzlich kann man sagen, dass ein Plattenkondensator eine Anordnung von insgesamt zwei gegeneinander isolierten Leitern ist. Der Stoff, der zwischen den beiden Metallplatten als Isolator dient, ist meistens einfach Luft. In manchen Fällen wird auch auf folgende Stoffe zurückgegriffen:

  • Kunststoffe
  • Glas

Isolator

Ein Isolator wird auch Nichtleiter genannt. Er beschreibt einen Stoff, welcher nicht dazu in der Lage ist, elektrische Ladung durch sich hindurch fließen zu lassen. Der Stoff ist folglich nicht leitend. Hierzu zählen:

  • Gummi
  • Kunststoff
  • Keramik
  • Luft

Leiter

Auf der anderen Seite gibt es noch die Leiter. Anders als ein Isolator handelt es sich hierbei um Stoffe, welche elektrische Ladung durch sich hindurch fließen lassen könnnen und demnach Strom leiten. Typische Stoffe sind dabei:

  • Metalle
  • Graphit
  • Silber
  • Gold

Abb. 2: Leiter(Quelle: www.studimup-physik.de)

Verfahren eines Kondensators

Da ein Kondensator eine Art Speicher von elektrischer Energie ist, gibt es auch einen Anschluss für die Spannungsladung. Solange keine Spannung an dem Kondensator anliegt, verteilen sich die Elektronen sowohl über die Leiter als auch in dem Leiter gleichmäßig.

Anschluss einer Spannung an den Kondensator

Sobald an die Leiter jedoch eine elektrische Quelle angeschlossen wird, lädt er sich entweder positiv oder negativ auf:

  • Positive Ladung: Wenn Elektronen, von dem Leiter, der mit der Plus-Pol Quelle verbunden ist abfließt
  • Negative Ladung: Wenn Elektronen von dem Leiter, der mit dem Minus-Pols verbunden ist hinzufließen

Ladungen

Kleine Teilchen, auch Ionen genannt, besitzen unterschiedliche Ladungen in ihrem Körper. Unterschieden wird zwischen

  • Positiver Ladung

  • Negativer Ladung

Abb. 3: Positive und negative Ladung(Quelle: www.leifiphysik.de)

Diese Ladungen können sich im Regelfall innerhalb des Körpers frei bewegen und zu elektrischen Feldern führen. Das heißt es bildet sich Strom.

Positive Ladung

Die positive Ladung besteht aus Protonen und werden mit der Einheit +e abgekürzt. Sie liegt dann vor, wenn Protonen die negativen Ladungen innerhalb eines Ions überwiegen. Da die positiven und negativen Ladungen gleichwertig sind, stehen sie im selben Verhältnis zueinander und können sich somit ausgleichen. In so einem Fall wird von einem Elektronenmangel gesprochen.

Negative Ladung

Negative Ladungen werden auch Elektronen genannt. Sie werden mit dem Buchstaben –e beschrieben. Eine negative Ladung entsteht, wenn die Elektronen die Protonen in ihrer Anzahl übersteigen. Folglich wird auch von einem Elektronenüberschuss geredet.

Abb. 3: Negativ geladenes Ion, positiv geladenes Ion und neutrales Atom(Quelle: www.sps.lehrgang.de)

Ladungen der Leiter

Zwar ist der Betrag der Ladungen auf den beiden Leitern gleich, jedoch sind die Ladungen entgegengesetzt. In der Physik wird dieser Betrag mit einem Q beschrieben.

  • Der positive Pol des Leiters heißt +Q
  • Der negative Pol des Leiters heißt -Q

Ladungsspeicherung

Der Kondensator gilt dann als vollständig aufgeladen, wenn die Spannung auf beiden Quellen betraglich gleich groß ist. Ab dann endet der Elektronenfluss. Die elektrische Quelle kann nun entfernt werden. Die Ladungen bleiben auf den beiden Leitern erhalten, was wiederum bedeutet, dass er die elektrische Ladung speichert. Diese kann als elektrische Energie freigesetzt werden.

Berechnungen im Zusammenhang mit dem Kondensator

Kapazität

Die Kapazität eines Kondensators kann mittels einer Formel errrechnet werden. Die Kapazität gibt an, wie viel der Kondensator von der Ladung speichern kann unter der Bedingung, dass die Spannung 1V beträgt. Die Formel lautet:

Abb. 4: Formel der Kapazität des Kondensators(Quelle: www.abi-physik.de)

  • Das C beschreibt die Kapazität
  • Das U beschreibt die Spannung in V
  • Das Q beschreibt wie oben genannt den Betrag auf den Leitern, also die gespeicherte Ladung

Beachte: Wird von mehr Spannung als 1V ausgegangen, wird der Betrag mit der Zahl multipliziert. Handelt es sich zum Beispiel um 5V, multiplizierst du die Ladung ebenfalls mit fünf.

Entladung

Genau so wie ein Kondensator aufgeladen werden kann, ist es auch möglich ihn wieder zu entladen. Dabei werden die Ladungen von den Leitern wieder abgezogen. Anfänglich nimmt die Spannung sehr schnell ab. Dieser Prozess verlangsamt sich jedoch immer weiter, bis er entladen ist. Dabei wird auch das durch die Ladung erzeugte elektrische Feld immer schwächer.

Alles Wichtige auf einen Blick

Um dein Wissen noch einmal zu prüfen, haben wir dir hier alles zusammengefasst:

  • Ein Kondensator kann auf- und entladen werden
  • Er kann elektrische Ladung speichern
  • Bei der Aufladung entsteht ein elektrisches Feld
  • Die Ladung bleibt auf den Leitern des Kondensators bestehen
  • Je nach Gebrauch gibt es unterschiedliche Kondensatorarten
  • Der bekannteste Kondensator ist der Plattenkondensator
  • Die Kapazität eines Kondensators kann berechnet werden

Finales Kondensator Quiz

Frage

Erkläre, was bei einer Leidener Flasche als Isolator dient.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer Leidener Flasche fungiert das Glasgefäß als Isolator

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wo Zinnfolie wird bei einer Leidener Flasche angebracht wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Innen und Außen

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Frage

Nenne das physikalische Ereignis, zu dem es bei der Verwendung der Leidener Flasche kommen kann.

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Antwort

Es können Blitze entstehen.

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Frage

Erkläre, welchen Zweck die Metallbeläge der Leidener Flasche haben.


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Antwort

Die Metallbeläge fungieren als Kondensatorplatten. Auf ihnen befindet sich die Ladung.

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Frage

Erkläre, was auf den Metallbelägen der Leidener Flasche passiert, sobald eine Spannung angelegt wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Sobald eine Spannung angelegt wird und Strom fließt, wandern Ladungen auf die Metallbeläge. Dabei kommt es zur Influenz. 

Frage anzeigen

Frage

Erkläre welche Stoffe genutzt werden können, um eine Leidener Flasche sicher zu entladen.

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Antwort

Jede Form von Isolatoren. Meist werden Plastik- oder Gummigriffe genutzt.

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Frage

Nenne, welches Elektrische Bauteil für ein DIY- Experiment von Nöten ist.

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Antwort

Für das Experiment wird eine Braunsche Röhre benötigt. Diese sind in alten Bildschirmen und Fernseher verbaut.

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Frage

Erkläre, welcher Art von Kondensator der Aufbau einer Leidener Flasche ähnelt.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Aufbau einer Leidener Flasche ähnelt einem Zylinderkondensator.

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Frage

Erkläre welche physikalischen Größen relevant sind, um die Kapazität einer Leidener Flasche zu berechnen.

Antwort anzeigen

Antwort

Um die Kapazität einer Leidener Flasche zu berechnen, nimmt man in Näherung an, dass es sich um einen Zylinderkondensator handelt. Für die Berechnung sind somit die beiden Radien der beiden Mantelflächen des Kondensators und die Länge des Kondensators relevant.

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