Kondensator und KapazitÀt
Der Lade-/Entladeversuch zeigt, dass die gespeicherte Ladung Q eines Kondensators proportional zur Spannung U wĂ€chst. Welche GröĂe definiert man daraus?
ErklĂ€rung: Weil Q â U gilt, ist der Quotient Q/U fĂŒr einen gegebenen Kondensator konstant â er beschreibt das Bauteil, nicht den Ladezustand. Widerstand, FeldstĂ€rke und Energie haben andere Definitionsgleichungen.
Die Einheit der KapazitÀt, 1 C/V, trÀgt den Namen ___.
ErklĂ€rung: 1 F = 1 C/V = 1 As/V. Ein Farad ist riesig â in der Praxis rechnet man mit ”F, nF und pF.
Ein Kondensator trĂ€gt bei der Spannung U = 200 V die Ladung Q = 4·10â»âŽ C. Berechne seine KapazitĂ€t. (Antwort in ”F)
ErklĂ€rung: C = Q/U = 4·10â»âŽ C / 200 V = 2·10â»â¶ F = 2 ”F. Auf die Umrechnung in Mikrofarad achten â 2·10â»â¶ F, nicht 2·10â»âŽ F.
Ein Kondensator mit C = 10 ”F wird auf U = 12 V geladen. Berechne die gespeicherte Ladung. (Antwort in ”C)
ErklĂ€rung: Q = C·U = 10·10â»â¶ F · 12 V = 1,2·10â»âŽ C = 120 ”C. Die Definitionsgleichung C = Q/U wird nach Q aufgelöst.
Berechne die KapazitĂ€t eines Plattenkondensators mit PlattenflĂ€che A = 1 mÂČ und Plattenabstand d = 1 mm im Vakuum. (Δâ = 8,85·10â»ÂčÂČ As/Vm; Antwort in nF)
ErklĂ€rung: C = Δâ·A/d = 8,85·10â»ÂčÂČ Â· 1 / 0,001 F = 8,85·10â»âč F = 8,85 nF. Selbst ein quadratmetergroĂer Kondensator liefert nur Nanofarad â deshalb braucht Technik Dielektrika und gewickelte Bauformen.
Halbiert man bei einem Plattenkondensator den Plattenabstand d, so verdoppelt sich seine KapazitÀt.
ErklĂ€rung: Die Messreihe liefert C â 1/d â halber Abstand bedeutet doppelte KapazitĂ€t. Zusammen mit C â A ergibt das die Formel C = Δâ·A/d.
Bei konstanter Spannung und konstantem Abstand wird die PlattenflÀche eines Kondensators verdoppelt. Was passiert mit Ladung und KapazitÀt?
ErklĂ€rung: Auf der doppelten FlĂ€che findet bei gleicher Spannung die doppelte Ladung Platz, also verdoppelt sich auch C = Q/U. KapazitĂ€t und Ladung sind hier ĂŒber die konstante Spannung fest gekoppelt.
Zwischen die Platten eines geladenen Kondensators wird bei konstanter Spannung eine Glasplatte geschoben. Was beobachtet man?
ErklĂ€rung: Ein Dielektrikum vergröĂert die KapazitĂ€t um die DielektrizitĂ€tszahl Δr (Glas â 5), bei fester Spannung wĂ€chst also Q = C·U. Gerade weil Glas nicht leitet, bleibt die Ladung gespeichert â seine Polarisierbarkeit schwĂ€cht das Feld zwischen den Platten.
Ein Plattenkondensator hat im Vakuum die KapazitĂ€t C = 2 ”F. Der Zwischenraum wird vollstĂ€ndig mit Glas (Δr = 5) gefĂŒllt. Berechne die neue KapazitĂ€t. (Antwort in ”F)
ErklĂ€rung: C = Δâ·Δr·A/d wĂ€chst linear mit Δr, also 2 ”F · 5 = 10 ”F. Wasser mit Δr â 81 wĂŒrde die KapazitĂ€t sogar ver-81-fachen.
Zwischen den Platten eines Kondensators herrscht die FeldstĂ€rke E = 2·10â” V/m. Berechne die FlĂ€chenladungsdichte auf den Platten. (Δâ = 8,85·10â»ÂčÂČ As/Vm; Antwort in ”C/mÂČ)
ErklĂ€rung: Ï = Δâ·E = 8,85·10â»ÂčÂČ Â· 2·10â” C/mÂČ = 1,77·10â»â¶ C/mÂČ = 1,77 ”C/mÂČ. FeldstĂ€rke und Ladungsbelag der Platten bestimmen sich gegenseitig â wer Ï kennt, kennt E, und umgekehrt.
Zwei Kondensatoren mit Câ = 3 ”F und Câ = 6 ”F werden parallel geschaltet. Berechne die GesamtkapazitĂ€t. (Antwort in ”F)
ErklĂ€rung: Bei Parallelschaltung liegt an beiden dieselbe Spannung, die Ladungen addieren sich â also Cges = Câ + Câ = 9 ”F. Die Kehrwertformel gilt nur fĂŒr die Reihenschaltung.
Dieselben Kondensatoren (Câ = 3 ”F, Câ = 6 ”F) werden nun in Reihe geschaltet. Berechne die GesamtkapazitĂ€t. (Antwort in ”F)
ErklĂ€rung: In Reihe tragen beide dieselbe Ladung und die Spannungen addieren sich, also 1/Cges = 1/3 + 1/6 = 1/2, d.h. Cges = 2 ”F. Die GesamtkapazitĂ€t ist kleiner als die kleinste EinzelkapazitĂ€t â wer 9 ”F erhĂ€lt, hat die Schaltungsarten vertauscht.
Ein geladener Kondensator wird ĂŒber einen Widerstand entladen und der Strom gemessen. Beschreibe den Verlauf.
ErklĂ€rung: Mit abflieĂender Ladung sinken Spannung und damit der Strom I = U/R â je leerer der Kondensator, desto langsamer entlĂ€dt er sich weiter. WĂ€hrend des Umladens flieĂt sehr wohl Strom; nur ein dauerhafter Gleichstrom wird blockiert.
Von zwei Kondensatoren an derselben Spannungsquelle speichert der mit der gröĂeren KapazitĂ€t die gröĂere Ladung.
ErklĂ€rung: Q = C·U â bei gleicher Spannung entscheidet allein die KapazitĂ€t ĂŒber die gespeicherte Ladung. Genau das leistet die KapazitĂ€t als KenngröĂe "Fassungsvermögen pro Volt".
Schaltet man zwei Kondensatoren in Reihe, so ist die GesamtkapazitÀt kleiner als die kleinere der beiden EinzelkapazitÀten.
ErklĂ€rung: In Reihe addieren sich die Kehrwerte, 1/C = 1/Câ + 1/Câ. Weil 1/C gröĂer ist als jeder einzelne Kehrwert, ist C kleiner als jede EinzelkapazitĂ€t â anders als in der Parallelschaltung, wo sich die KapazitĂ€ten addieren.