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Kondensatoren 1

WebinarTerminankündigung aus unserem Online-Kurs Thermodynamik:
 Am 13.12.2016 (ab 16:00 Uhr) findet unser nächstes Webinar statt.
Gratis-Webinar (Thermodynamik) Innere Energie, Wärme, Arbeit
- Innerhalb dieses 60-minütigen Webinares wird der 1. Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme behandelt und auf die innere Energie, Wärme und Arbeit eingegangen.
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Elektrolyt-Kondensatoren
Elektrolyt-Kondensatoren

Um Kondensatoren ausreichend genau beschreiben zu können, müssen wir im Vorfeld auf den Zusammenhang zwischen der Spannung und der elektrischen Ladung eingehen. In der ersten Abbildung sehen Sie das Schaltzeichen für Kondensatoren:

Kondensator [Schaltzeichen]
Kondensator [Schaltzeichen]

In der nächsten Abbildung sehen Sie einen Plattenkondensator, welcher in einem mit Öl gefüllten Behälter befindlich ist.

Plattenkondensator
Plattenkondensator

Die Flächen $ A_1 $ und $ A_2 $ sind in ihren Abmessungen identisch und der Abstand $ l $ zwischen beiden ist an allen Positionen identisch, weshalb die Platten auch parallel zueinander stehen. Auf der Platte $ A_1 $ finden sich nur positive Ladungsträger $ Q_1 > 0 $ und auf der Platte $ A_2 $ ausschließlich negative Ladungsträger $ Q_2 < 0 $. Betragsmäßig sind jedoch beide Ladungen identisch $\ Q_1 = - Q_2 $. Durch die Ladungen wird zwischen den Platten ein homogenes elektrostatisches Feld erzeugt.

Hierbei gilt: 

$ |Q| = |\sigma| \cdot A = \vec{D} \cdot A $

$\sigma = $ Flächenladungsdichte

$\ A = $ Kondensatorfläche

$\vec{D} = $ elektrische Flussdichte

Plattenladung = elektrische Flussdichte $ \cdot $ Kondensatorfläche

Durch diese Ladung entsteht auch eine Spannung $ U $ zwischen den Platten. Um einen Zusammenhang zwischen der Spannung und dem Betrag der elektrischen Feldstärke E herstellen zu können, verwendet man folgende Gleichung:

$\ U = E \cdot l $

also Spannung = elektrische Feldstärke $\cdot $ Abstand $\rightarrow $ mit zunehmenden Abstand der Platten nimmt die Spannung zu. 

Führt man nun die Gleichungen für die Plattenladung und die Spannung zusammen, so erhält man folgende Gleichung:

$\frac{Q}{U}= \frac{\vec{D}}{E} \cdot \frac{A}{l} $ 

Mit dieser Gleichung, ist es nun möglich verschiedene Trennungsmedien miteinander zu vergleichen. 

Beispiel

Beispiel

Man vergleiche das oben abgebildete Gefäß samt Platten mit parallelem Abstand zueinander, einmal für die Trennung durch ein Vakuum und einmal für die Trennung durch ein Isolieröl.

Die zugehörigen Gleichungen sind dann:

Vakuum [Indize L = leer]:

$\frac{Q}{U_L}= \frac{D}{E_L} \cdot \frac{A}{l} $ 

 Isolieröl [Indize Ö = Öl]:

$\frac{Q}{U_Ö}= \frac{D}{E_Ö} \cdot \frac{A}{l} $

$\rightarrow $ es gilt im Vergleich:

$\frac{Q}{U_L}= \frac{D}{E_L} \cdot \frac{A}{l} \not= \frac{Q}{U_Ö}= \frac{D}{E_Ö} \cdot \frac{A}{l} $.

Merke

Da beide Platten isoliert angeordnet sind, kann sich die Ladung $ Q $ weder im Vakuum noch beim Einfüllen des Öls ändern. Das gleiche gilt für die Plattenflächen und der Abstand. Daher kann auf eine Indizierung dieser Werte verzichtet werden. 

Diese Gleichungen zeigen, dass der Zusammenhang von elektrischer Flussdichte und elektrischer Feldstärke eindeutig vom Material des Feldraumes abhängen. 

Eine Berücksichtigung erfährt die Materialabhängigkeit durch die Permittivität:

$\varepsilon = \varepsilon_0 \varepsilon_r $

$\varepsilon_0 = $ Elektrische Feldkonstante

$\varepsilon_r = $ Relative Permittivität 

Methode

Zur Erinnerung elektrische Flussdichte:  $\vec{D} = \varepsilon \vec{E} $

Die relative Permittivität gibt lediglich den Einfluss des Werkstoffs an. In der nachfolgenden Tabelle sind einige Werte von flüssigen und festen Isolierungen abgebildet. Messbereich: 20°C bei einer Frequenz von 2 MHz.

Isolierung relative Permittivität
Gummi 2,7
Holz 5
Keramiken < 4000
Petroleum 2,1
Quarz 3,9
Wasser (dest.) 80

Diese Werte sind allesamt bei der obengenannten Temperatur und Frequenz gemessen worden. Ändert sich einer dieser Faktoren, führt dies dazu, dass sich auf die relative Permittivität ändert.  

Wichtig

Nachdem die Vorarbeit geleistet wurde, kann nun mit den Kondensatoren begonnen werden. 
Multiple-Choice
Welcher, der nachfolgend genannten Isolierstoffe weist die höchste relative Permittivität auf?
0/0
Lösen

Hinweis:

Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.

Bild von Autor Jan Morthorst

Autor: Jan Morthorst

Dieses Dokument Kondensatoren 1 ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Elektrotechnik.

Jan Morthorst verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.
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