Kondensatoren, Grundlagen

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 siehst du das Schaltzeichen für Kondensatoren:

Kondensator Schaltzeichen

In der anschließenden Abbildung ist ein Plattenkondensator abgebildet, welcher sich in einem mit Öl gefüllten Behälter befindet.

Plattenkondensator, Schema

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: 

$\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:

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:

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

Beispiel

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} $.

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 

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.

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