Kondensator
Ein Kondensator (lat. condensare, verdichten) ist im Prinzip eine Anordnung von zwei gegeneinander isolierten Leitern. Die einfachste Form eines Kondensators kennst du wahrscheinlich aus dem Unterricht: der sogenannte Plattenkondensator besteht aus zwei gegenüberliegenden Metallplatten, die sich nicht berühren.
Das Material, das sich zwischen den beiden Leitern befindet, bezeichnen wir als Dielektrikum. Im Fall eines Plattenkondensators ist dies zuerst einmal Luft, es kann sich aber auch um andere Materialien wie z.B. Kunststoffe oder Glas handeln. Welche Bedeutung ein Dielektrikum zwischen den Leitern hat werden wir später genauer untersuchen.
Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Kondensators, Abb. 2 das Schaltzeichen für Kondensatoren und Abb. 3 verschiedene Bauformen von Kondensatoren.
Verhalten von Kondensatoren beim Anlegen einer Spannung
Liegt über den beiden Leitern keine Spannung an, dann verteilen sich die Elektronen im Kondensator gleichmäßig über die Leiter und die Verbindungsleitungen.
Wenn du aber an die Leiter die Pole einer elektrischen Quelle anschließt, dann
-
fließen von dem Leiter, der mit dem Plus-Pol der Quelle verbunden ist, Elektronen ab: er lädt sich positiv auf.
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fließen auf den Leiter, der mit dem Minus-Pol der Quelle verbunden ist, Elektronen hinzu: er lädt sich negativ auf.
Die Ladungen auf den beiden Leitern sind entgegengesetzt, haben aber den gleichen Betrag. Diesen Ladungsbetrag bezeichnen wir mit \(Q\). Der eine Leiter trägt somit die Ladung \(+Q\), der andere die Ladung \(-Q\).
Nach einiger Zeit endet allerdings der Elektronenfluss: Durch die zunehmenden Ladungen auf den beiden Leitern baut sich eine immer größer werdende Spannung zwischen ihnen auf, die der Spannung der elektrischen Quelle entgegengerichtet ist. Sind beide Spannungen schließlich betraglich gleich groß, so endet der Elektronenfluss - der Kondensator ist aufgeladen.
Wenn du die elektrische Quelle jetzt entfernst, dann bleiben die Ladungen auf den beiden Leitern: der Kondensator speichert also elektrische Ladungen und somit auch elektrische Energie.
Wenn du in einem geeigneten Versuch (vgl. Link am Ende des Artikels) den Zusammenhang zwischen der Spannung \(U\), die du über den beiden Leitern anlegst und dem maximalen Ladungsbetrag \(Q\), der sich dadurch auf den beiden Leitern ansammelt untersuchst, so erhälst du folgendes Ergebnis:
Kondensatorformel und Definition der Kapazität
Untersucht man experimentell den Zusammenhang zwischen der Spannung \(U\), die man über einem Kondensator anlegt und der Ladung \(Q\), der sich dadurch auf dem Kondensator befindet, dann ergibt sich:
Die Ladung \(Q\) ist proportional zur Spannung \(U\) (vgl. Abb. 4)\[Q=C \cdot U \quad(1)\]Den Proportionalitätsfaktor \(C\) bezeichnet man als Kapazität des Kondensators (lat.: capacitas, Fassungsvermögen). Die Kapazität hat für verschiedene Kondensatoren unterschiedliche Werte und ist von der Geometrie der Leiter und dem Dielektrikum abhängig.
Für die Einheit der Kapazität gilt wegen \((1)\) und \(Q=C \cdot U \Leftrightarrow C = \frac{Q}{U}\)\[\left[ C \right] = \frac{\left[ Q \right]}{\left[ U \right]} = \frac{1\,\rm{C}}{1\,\rm{V}} = 1\,\frac{\rm{C}}{\rm{V}} =:1\,\rm{F}\;\rm{(Farad)}\]
Ein Kondensator besitzt also die Kapazität \(1\,\rm{F}\), wenn sich bei einer angelegten Spannung von \(1\,\rm{V}\) eine Ladung von \(1\,\rm{C}\) auf dem Kondensator befindet.
Größe | ||
Name | Symbol | Definition |
Kapazität | \(C\) | \(C := \frac{Q}{U}\) |
Einheit | ||
Name | Symbol | Definition |
Farad | \(\rm{F}\) | \(1\,\rm{F}:=1\,\frac{\rm{C}}{\rm{V}}\) |
Die Einheit Farad ist nach dem englischen Physiker Michael FARADAY (1791 - 1867) benannt, einem der bedeutendsten Experimentalphysiker der Geschichte. FARADAY erhielt ein quantitatives Maß für den Einfluss der Isolatoren auf die Kapazität von Kugeln, das er „specific inductive capacity“ nannte, was heute der Dielektrizitätskonstanten entspricht.
Ober- und Untereinheiten
Die Kapazität der meisten Kondensatoren ist wesentlich kleiner als \(1\,\rm{F}\). Um kleinere Kapazitäten bequem beschreiben zu können, führt man Untereinheiten der Kapazität ein. Die gebräuchlichsten sind\[1\,\rm{\mu F}=\frac{1}{1\,000\,000}\,\rm{F}=1\cdot 10^{-6}\,\rm{F}\]\[1\,\rm{nF}=\frac{1}{1\,000\,000\,000}\,\rm{F}=1\cdot 10^{-9}\,\rm{F}\]\[1\,\rm{pF}=\frac{1}{1\,000\,000\,000\,000}\,\rm{F}=1\cdot 10^{-12}\,\rm{F}\]