Egal, ob Fahrradlampen, Computer oder Lautsprecher – nichts funktioniert ohne einen Kondensator. Doch wie ist dieses Bauteil aufgebaut? Wie funktioniert es und was ist ein Dielektrikum?
Kondensator kurz erklärt
Bei einem Kondensator handelt es sich um ein elektrisches Bauteil aus der Elektrotechnik. Es hat die Eigenschaft der Kapazität, die es dem Kondensator möglich macht, elektrische Ladungen zu speichern.
Ein Kondensator speichert elektrische Ladungen und die mit ihnen zusammenhängende elektrische Energie in Form eines elektrischen Feldes, welches sich zwischen den beiden Kondensatorplatten befindet.
Falls Du mehr zum Thema Kondensatoren lernen möchtest, dann schau Dir den dazugehörigen Artikel an!
Vielleicht hast Du schon mal einen Kondensator im Physik-Unterricht kennengelernt oder Experimente damit durchgeführt.
Ein Beispiel für die Anwendung eines Kondensators ist das herkömmliche Rücklicht an einem Fahrrad. Damit das Licht nicht direkt ausgeht, sobald keine Spannung mehr vom Trafo kommt, werden Kondensatoren genutzt. Kondensatoren können das Wegbleiben der Spannung für eine kurze Zeit überbrücken.
Plattenkondensator – Aufbau und Funktionsweise
Ein Plattenkondensator besteht aus zwei sich gegenüberstehenden isolierten Elektroden, die einen Abstand d zueinander haben. Sie sind meistens rechteckig oder rund mit einem Flächeninhalt A. Die beiden Elektroden werden über ein Dielektrikum als Isolator voneinander getrennt.
Was genau ein Dielektrikum ist und welche Funktion es hat, erfährst Du später im Artikel!
Bei einem Isolator handelt es sich um ein Material, welches die Elektrizität nur sehr schlecht oder gar nicht leitet.
In der Abbildung 1 siehst Du eine einfache Darstellung eines Plattenkondensators.
Abb. 1 - Schematische Darstellung eines Plattenkondensators
Ein Plattenkondensator wird in Stromkreise eingebaut und eine Spannung U wird angelegt. Dadurch baut sich zwischen den Platten ein elektrisches Feld auf, dessen Feldlinien von der positiv geladenen Platte zur negativ geladenen Platte zeigen.
Abb. 2 -Darstellung des elektrischen Feldes eines Plattenkondensators
Wird eine Spannung an einen Plattenkondensator angelegt (siehe Abbildung 2), so werden Elektronen im Schaltkreis vom negativen Minuspol der Spannungsquelle zu einer der Platten des Kondensators bewegt. Diese Platten laden sich nach und nach auf, bis die Kapazität vollkommen ausgeschöpft ist.
Die positiven und negativen Ladungen, die sich auf den Platten befinden, ziehen sich an. Würde es sich nun um freibewegliche Ladungen handeln, würden sie sich aufeinander zubewegen. Die Platten des Kondensators haben jedoch einen festen Abstand zueinander. Die Ladungen werden deswegen so lange auf den Elektroden gespeichert, bis ein Verbraucher angeschlossen wird und dem Kondensator die Energie entnimmt.
Bei Kondensatoren ist der Raum zwischen den beiden Platten mit einem sogenannten Dielektrikum aufgefüllt.
Plattenkondensator Dielektrikum
Ein Dielektrikum ist ein Isolator, der oft auch elektrischer Nichtleiter genannt wird und keine freien Elektronen besitzt. Die Aufgabe des Dielektrikums besteht darin, den Stromfluss zwischen den beiden Kondensatorplatten zu unterbinden.
Bei einem Dielektrikum handelt es sich um ein nicht-leitendes Material, welches sich zwischen den Platten des Kondensators befindet und das elektrische Feld nicht nennenswert beeinflusst.
Bei einem Dielektrikum kann es sich um Luft oder ein Vakuum handeln. Andere Beispiele jedoch wären hier Wasser, Holz, Keramik oder andere Nichtleiter.
Ein Dielektrikum wird durch die sogenannte relative Permittivität charakterisiert. Ein Dielektrikum wird genutzt, um physikalische Eigenschaften eines Kondensators, zum Beispiel die Kapazität C, zu manipulieren.
Die relative Permittivität ist einheitenlos, da sie lediglich das Verhältnis der stoffeigenen Permittivität zur Permittivität des Vakuums angibt.
In der folgenden Tabelle siehst Du einige Stoffe, die als Dielektrikum genutzt werden können.
| Dielektrikum | relative Permittivität |
| Wasser | 81 |
| Alkohol | 25,8 |
| Luft | 1,0006 |
| Vakuum | 1 |
| Glas | 6 bis 8 |
Doch warum muss das Dielektrikum nichtleitend sein? Ein leitender Stoff zwischen den Platten würde dafür sorgen, dass die Ladungen durch das Dielektrikum auf die jeweils andere Platte wandern würden, um einen möglichen Ladungsunterschied auszugleichen. Das Dielektrikum sorgt somit dafür, dass es zu keinem Stromfluss zwischen den beiden Kondensatorplatten kommt.
Elektrisches Feld Plattenkondensator Formel
Stell Dir vor, Du platzierst ein freibewegliches Elektron an der negativen Platte des Plattenkondensators (siehe Abbildung 3). Du kannst merken, dass die negative Platte die Probeladung abstößt, während die positive Platte sie anzieht.
Abb. 3 - Darstellung eines Elektrons im elektrischen Feld E eines Plattenkondensators
Die im Kondensator platzierte Probeladung, in diesem Fall ein Elektron, erfährt eine elektrische Kraft innerhalb des Plattenkondensators. Diese sorgt dafür, dass sich die Ladung geradeaus zur positiv geladenen Platte beschleunigt. Die Beschleunigung findet dabei so lange statt, bis die Probeladung an der positiv geladenen Platte angekommen ist.
Wenn sich ein Elektron in einem elektrischen Feld befindet, erfährt es eine Kraft. Die Kraft auf das Elektron ist von der elektrischen Feldstärke E und der Elementarladung e abhängig:
Die Kraft wird in der Einheit Newton gemessen
Durch die Beschleunigung erhält die Ladung eine Geschwindigkeit v und damit auch eine kinetische Energie E.
Die kinetische Energie stammt aus dem elektrischen Feld. Die Energie Eel, die das Elektron in einem homogenen Feld erhält, berechnest Du mit der Formel:
Hierbei wird die Elementarladung e gegebenenfalls durch die Ladung Q ersetzt, je nachdem, welche Probeladung genutzt wird:
Dabei ist Joule die Maßeinheit der elektrischen Energie
Die Bewegungsenergie, die die Probeladung gewinnt, wird durch die elektrische Spannung U definiert.
Wo auch immer Du die Elementarladung e innerhalb des Kondensators platzierst, sie bewegt sich auf einer geraden Linie zur gegenüberliegenden Platte.
Doch woran liegt das?
Die Probeladung q erfährt überall die gleiche Kraft , durch die sie bewegt wird. Da das Kraftfeld überall gleich stark ist, wird es auch als homogenes Feld bezeichnet.
Ein homogenes Kraftfeld sorgt dafür, dass eine Probeladung an jedem Ort zwischen den Platten des Kondensators die gleiche Kraft erfährt.
Die Kraft , die auf die Probeladung q wirkt, hängt in einer Form mit der Spannung U zusammen. Welche Rolle spielt dabei der Abstand der Platten d?
Die Kraft , auf eine Probeladung q wirkt, ist an jedem Ort des homogenen Feldes gleich. Die Kraft ist abhängig von der angelegten Spannung U und dem Abstand d der beiden Kondensatorplatten.
Gemessen wird die Kraft in der Einheit Newton
Die Kraft , die auf die Probeladung q wirkt, ist umso größer, je größer die Probeladung und die angelegte Spannung U sind und je näher die Platten des Kondensators beieinander sind.
Elektrische Feldstärke Plattenkondensator Formel
Die Eigenschaften des elektrischen Feldes eines Plattenkondensators werden durch die elektrische Feldstärke E bestimmt. Ein homogenes Feld ist an jedem beliebigen Ort sowohl gleich stark als auch gleich gerichtet.
Die elektrische Feldstärke E ist abhängig von sowohl der Spannung U als auch von dem Abstand d der beiden Kondensatorplatten.
Gemessen wird die elektrische Feldstärke wird in der Einheit Volt pro Meter beziehungsweise Newton pro Coulomb.
Je größer die Spannung U und je kleiner der Abstand d, desto größer ist die elektrische Feldstärke E zwischen den Kondensatorplatten. Doch wie lässt sich das elektrische Feld innerhalb eines Kondensators visuell darstellen?
Plattenkondensator Feldlinien
Du weißt bereits, dass das elektrische Feld innerhalb eines Plattenkondensators homogen ist. Um dieses homogene elektrische Feld visuell zu veranschaulichen, werden oft sogenannte Feldlinien genutzt.
Abb. 4 - Darstellung des Verlaufs der Feldlinien innerhalb eines Plattenkondensators
Betrachtest Du die Feldlinien der Abbildung 4, kannst Du folgendes festlegen:
Elektrische Feldlinien verlaufen im Plattenkondensator gerade und parallel zueinander. Dabei gilt, je dichter die Feldlinien, desto stärker das elektrische Feld. Der Plattenkondensator ist außerhalb der Elektroden feldfrei.
Kapazität Plattenkondensator Formel
Die Kapazität eines Kondensators ist die Eigenschaft, elektrische Ladungen in Form von elektrischer Energie zu speichern. Welche Formeln dabei zur Berechnung dieser beiden physikalischen Größen genutzt werden, erfährst Du im Folgenden.
Kapazität eines Plattenkondensators
Die Kapazität C gibt an, welche Menge an Ladungen Q die beiden Platten des Kondensators bei einer gegebenen Spannung U aufnehmen können.
Die Kapazität C hängt von der Geometrie, sprich von der Plattenfläche A und dem Abstand d der Platten, und dem Dielektrikum des Plattenkondensators ab.
Dabei entspricht
der
elektrischen Feldkonstante und
der
relativen Permittivität des
Dielektrikums. Ein Dielektrikum mit
großer relativer Permittivität
erhöht die
Kapazität des Plattenkondensators.
Die Kapazität C wird in Farad gemessen
Wenn sich zwischen den Platten ein Vakuum oder Luft befindet, dann ist relative Permittivität gleich eins.
Die Kapazität eines Kondensators ist genau dann besonders groß, wenn die Plattengröße A möglichst groß und der Plattenabstand d möglichst klein ist. Verwendest Du zudem ein Dielektrikum mit großer relativer Permittivität, so lässt sich die Kapazität zusätzlich vergrößern.
Elektrische Ladung auf einem Plattenkondensator
Das elektrische Feld des Plattenkondensators ist homogen. Aus diesem Grund muss die Ladung gleichmäßig auf den Kondensatorplatten verteilt sein.
Die Kapazität C ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators. Je größer die Kapazität ist, desto mehr Ladung Q speichert ein Kondensator bei angelegter Spannung U.
Die Ladung Q wird in der Einheit Coulomb gemessen.
Die Ladungen, die sich auf beiden Kondensatorplatten befinden, sind betragsmäßig gleich groß.
Plattenkondensator: Aufgaben Kapazität & Ladung
Zum Verständnis des eben gelernten folgt hier eine Beispielaufgabe für Dich.
Aufgabe 1
Ein Plattenkondensator mit einer Plattenfläche von und einem Plattenabstand wird bei einer Ladespannung von aufgeladen und nach dem Ladevorgang von der Spannungsquelle getrennt. Dabei ist der Kondensator mit Luft gefüllt.
a.) Berechne die Kapazität C des Kondensators und den Betrag der Ladung Q.
In den Innenraum wird nun eine Glasplatte mit einer Dicke von geschoben.
b.) Erkläre, wie sich die Kapazität C verändert.
Lösung zu a
Um die Kapazität C nach dem Ladevorgang zu berechnen, nutzt Du die Formel
Das Einsetzen der Werte , , und liefert
Der Plattenkondensator hat eine Kapazität von .
Um die Ladung Q zu berechnen, die sich nach dem Ladevorgang auf den Kondensatorplatten befindet, nutzt Du die Formel
Das Einsetzen der Werte liefert
Nach dem Ladenvorgang befindet sich eine Ladung von auf den Kondensatorplatten.
Lösung zu b
Die relative Permittivität von Glas ist größer als die von Luft (, ). Damit steigt die Kapazität C des Kondensators.
Elektrische Feldenergie Plattenkondensator Formel
Stell Dir vor, Du möchtest eine Ladung q (z. B. ein Elektron) im elektrischen Feld eines Kondensators der Spannung U von einer Platte auf die andere Platte bewegen. Dafür benötigst Du eine gewisse Energie bzw. musst Du eine gewisse Arbeit W verrichten.
Die Arbeit W, die benötigt wird, um eine gewisse Ladung q auf die andere Platte eines Kondensators, über welchem die Spannung U herrscht, zu bringen, lässt sich mit
berechnen. Die Arbeit wird dabei in Joule gemessen.
Die Ladungsverschiebung von der einen auf die andere Platte erzeugt eine erhöhte Spannung U über dem Kondensator. Je mehr Ladung Q Du insgesamt auf den Kondensator gebracht hast, desto größer auch die Spannung U. Beide Größen verhalten sich linear zueinander.
Abbildung 5: U-Q-Diagramm eines Plattenkondensators mit der verrichteten Arbeit beim Aufladen unter der Kurve
Das lineare Verhalten der Spannung U in Zusammenhang mit Ladung Q des Kondensators ist in der Abbildung 5 dargestellt. Dabei entspricht die Fläche unter der Funktionsgeraden der beim Aufladen verrichteten Arbeit W.
Die verrichtete Arbeit W am Kondensator hängt sowohl von dessen Kondensatorladung Q als auch von der Spannung U ab.
Mit der Formel
ergibt sich für die gesamte verrichtete Arbeit die Formel
Die Größen der Energie und der Arbeit hängen in der Physik stets eng miteinander zusammen. Die verrichtete Arbeit entspricht also der zusätzlichen Energie des elektrischen Feldes.
Die elektrische Energie E des Feldes im Plattenkondensator hängt sowohl mit der Kapazität C als auch mit der angelegten Spannung U zusammen. Da die Arbeit W gleich der Energieänderung ist, gilt für die gespeicherte Feldenergie:
beziehungsweise
Diese Formel gilt für jeden Kondensator. Da du jedoch die spezifische Formel für die Kapazität eines Plattenkondensators kennst, kannst Du auch diese einsetzen.
Die elektrische Energie des elektrischen Feldes eines Plattenkondensators lässt sich mit Hilfe der elektrischen Feldkonstante , der relativen Permittivität , der Plattenfläche A, des Plattenabstandes d und der angelegten Spannung U berechnen:
Je nachdem, welche Größen gegeben sind, kannst Du damit verschiedene Aufgaben berechnen.
Plattenkondensator Aufgaben elektrische Energie
Auch zu diesen neu gelernten Formeln folgt eine kurze Aufgabe zur Anwendung.
Aufgabe 2
Ein Plattenkondensator hat die Kapazität . Die angelegte Spannung U hat eine Größe von.
Berechne die elektrische Energie des Kondensators.
Lösung
Um die elektrische Energie zu berechnen, nutzt Du die Formel
In diese Formel werden nun die Werte aus der Aufgabenstellung eingesetzt
Der Kondensator hat eine elektrische Energie von .
Wenn Dich das Thema näher interessiert, dann kannst Du weiteres im Artikel "Kondensatoren" oder "Leidener Flasche" nachlesen!
Plattenkondensator - Das Wichtigste
- Ein Plattenkondensator ist ein elektrisches Bauteil zur kurzzeitigen Speicherung von elektrischer Ladung.
- Ein Plattenkondensator besteht aus zwei metallisch leitenden Elektroden mit dem Flächeninhalt A und einem Abstand d zueinander.
- Bei einem Dielektrikum handelt es sich um einen nichtleitenden Stoff, der zwischen die beiden Kondensatorplatten gebracht wird.
- Ein Dielektrikum wird genutzt, um zum Beispiel die Kapazität C eines Kondensators zu manipulieren.
- Innerhalb eines Plattenkondensators besteht ein homogenes Feld.
- Die Kraft , die auf eine Probeladung q innerhalb des Plattenkondensators wirkt, berechnet sich mit der Formel
.
- Die elektrische Feldstärke E ist sowohl von der Spannung U als auch von dem Abstand d der beiden Platten abhängig
- Elektrische Feldlinien verlaufen in einem homogenen Feld gerade und parallel zueinander von der positiv geladenen Platte zur negativ geladenen Platte.
- Die Gesamtladung Q, die sich auf einem Plattenkondensator berechnet, ist proportional zur Spannung U und zur Kapazität C
- Die Kapazität C hängt von der Geometrie, also des Flächeninhalts A der Platten, und dem Abstand d der Platten, ab
- Die elektrische Energie Ee des Feldes im Plattenkondensator hängt von Kapazität C und Spannung U ab
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