Ladung auf Kondensatorplatten: Physik der Prozesse und Berechnungsformeln

Ein Kondensator ist ein grundlegendes elektronisches Bauteil (zusammen mit einem Widerstand und einer Induktivität) zum Speichern elektrischer Energie. Die beste Analogie für den Betrieb wäre ein Vergleich mit einem Akku. Die Vorrichtung des letzteren basiert jedoch auf reversiblen chemischen Reaktionen, und die Ladungsakkumulation auf den Kondensatorplatten ist ausschließlich elektrischer Natur.

Gerät und Funktionsprinzip

In seiner einfachsten Form die Struktur besteht aus zwei Elektroden in Form von leitfähigen Platten (Platten genannt), getrennt durch ein Dielektrikum, dessen Dicke im Vergleich zu den Abmessungen der Platten vernachlässigbar ist. Praktisch verwendete elektronische Bauteile enthalten viele Dielektrikumsschichten und Elektroden. Als Bezeichnung für einen Kondensator im Diagramm werden zwei parallele Segmente mit Abstand verwendet. Sie symbolisieren die Metallplatten der Platten des physischen Geräts, die elektrisch voneinander getrennt sind.

Michael Faraday wird von vielen als Erfinder der Erfindung angesehen, aber in Wirklichkeit ist dies nicht der Fall. Aber er tat die Hauptsache - er demonstrierte in seinen Experimenten die ersten praktischen Beispiele und Methoden, dieses Gerät zum Speichern einer elektrischen Ladung zu verwenden. Dank Faraday erhielt die Menschheit eine Möglichkeit, die Fähigkeit zur Akkumulation von Ladungen zu messen. Diese Größe wird Kapazität genannt und in Farad gemessen.

Die Wirkungsweise des Kondensators lässt sich am Beispiel der Ereignisse veranschaulichen, die sich im Blitzlicht einer Digitalkamera während der Zeitspanne zwischen dem Drücken der Taste und dem Auslösen des Blitzlichts abspielen. Die Elektronik dieses Leuchtmittels basiert auf einem Kondensator, bei denen folgendes passiert:

• Ladegerät. Nach dem Drücken des Knopfes tritt der Elektronenfluss in den Kondensator ein und stoppt aufgrund des Dielektrikums auf einer seiner Platten. Dieser Fluss wird als Ladestrom bezeichnet.
• Akkumulation. Da unter Einwirkung der elektromotorischen Kraft immer mehr Elektronen in die Platte eindringen und sich über diese verteilen, die negative Ladung der Platte kann wachsen, bis das akkumulierte Potenzial den einströmenden Überschuss abstößt Elektronen. Die zweite Platte erhält aufgrund des Elektronenmangels eine positive Ladung, die der negativen Größe der ersten entspricht. Der Ladestrom fließt, bis die Spannung an beiden Platten der angelegten entspricht. Die Stärke oder Geschwindigkeit des Ladestroms ist auf maximalem Niveau, wenn die Platten vollständig entladen und geht in dem Moment gegen Null, wenn die Spannung an den Platten und der Quelle sind gleich.
• Erhaltung. Da die Platten entgegengesetzt geladen sind, werden Ionen und Elektronen voneinander angezogen, können sich aber aufgrund der dielektrischen Schicht nicht verbinden, wodurch ein elektrostatisches Feld entsteht. Dank dieses Feldes hält und speichert der Kondensator die Ladung.
• Entladen. Wird es möglich, dass Elektronen im Stromkreis anders fließen, dann akkumuliert die Spannung zwischen Plus und negative Ladungen der Platten, wird augenblicklich in einen elektrischen Strom umgesetzt, dessen Puls in der Blitzlampe umgewandelt wird in Lichtenergie.

Somit realisiert der Blitz die Fähigkeit des Kondensators, die Energie aus der Batterie für den Impuls zu speichern. Der Kameraakku ist auch ein Speichergerät, aber aufgrund der chemischen Natur des Speichers erzeugt und gibt er langsam Energie ab.

Kapazität, Ladung und Spannung

Die Eigenschaft eines Kondensators, Ladung in Form eines elektrostatischen Feldes auf den Platten zu halten, wird als Kapazität bezeichnet. Je größer die Fläche der Platten und je geringer der Abstand zwischen ihnen, desto mehr Ladung können sie ansammeln und haben dementsprechend eine größere Kapazität. Wenn Spannung an den Kondensator angelegt wird, ergibt das Verhältnis der Ladung Q zu der Spannung V den Wert der Kapazität C. Die Formel für die Kondensatorladung sieht wie folgt aus:

Q = C * V.

Das Maß der elektrischen Kapazität ist Farad (F). Diese Einheit ist immer positiv und hat keine negativen Werte. 1 F ist gleich der Kapazität eines Kondensators, der auf Platten mit einer Spannung von 1 Volt eine Ladung von 1 Coulomb speichern kann.

Farad ist eine sehr große Maßeinheit für die Benutzerfreundlichkeit wenden hauptsächlich seine Bruchmaße an:

• Mikrofarad (μF): 1μF = 1 / 1.000.000 F.
• Nanofarad (nF): 1nF = 1 / 1.000.000.000 F.
• Picofarad (pF): 1pF = 1/000000000000 F.

Dielektrizitätszahl

Neben der Gesamtgröße der Platten und dem Abstand zwischen ihnen gibt es einen weiteren Parameter, der die Kapazität beeinflusst - die Art des verwendeten Isolators. Der Faktor, durch den die Fähigkeit eines Dielektrikums bestimmt wird, die Kapazität eines Kondensators im Vergleich zu einem Vakuum zu erhöhen, heißt Dielektrizitätskonstante und wird für verschiedene Materialien durch einen konstanten Wert von 1 bis unendlich beschrieben (in der Theorie):

• Vakuum: 1,0000;
• Luft: 1.0006;
• Papier: 2,5-3,5;
• Glas: 3-10;
• Metalloxide 6-20;
• Elektrokeramik: bis 80.

Neben Festdielektrikumskondensatoren (Keramik, Papier, Folie) es gibt auch elektrolytische. Letztere verwenden Aluminium- oder Tantalplatten mit einer Oxid-Isolierschicht als einer Elektrode und einer Elektrolytlösung als andere.

Die Hauptmerkmale dieses Designs sind, dass es die Ansammlung einer relativ beeindruckenden Ladung in kleiner Größe ermöglicht und ein polarer elektrischer Speicher ist. Das heißt, es ist in Bezug auf die Polarität in den Stromkreis eingeschlossen.

Die Energie, die die meisten Kondensatoren speichern können, ist normalerweise gering – nicht mehr als Hunderte von Joule. Außerdem hält es aufgrund des unvermeidlichen Ladungsverlusts nicht lange. Daher können Kondensatoren beispielsweise Batterien als Stromquelle nicht ersetzen. Und obwohl sie nur eine Aufgabe (Ladungserhaltung) effektiv erfüllen können, ist ihr Einsatz in elektrischen Schaltungen sehr vielfältig. Kondensatoren werden als Filter, zur Netzspannungsglättung, als Synchronisationsgerät und für andere Zwecke verwendet.