Mathematik verstehen 7, Schulbuch

191 Kompetenzcheck 9 . 38 Kondensatoren in Stromkreisen Ein Kondensator besteht aus zwei parallelen Platten in geringem Abstand, die elektrische Ladungen +Q und –Q speichern können. Die Ladung Q ist direkt proportional zur Spannung U zwischen den Kondensatorplatten, also Q = C · U. Der Proportionalitätsfaktor C heißt Kapazität des Kondensators. Man misst die Zeit t in Sekunden (s), die Ladung Q in Coulomb (C), die Spannung U in volt (v), den Widerstand R in Ohm (Ω) und die Kapazität C in Farad (F). laden eines Kondensators: Ein Kondensator kann in einem Stromkreis wie in Abb. 1 geladen werden. Der Schalter S wird zum Zeitpunkt t = 0 geschlossen. Durch den hervorgerufenen Strom nehmen die Ladungen +Q(t) und –Q(t) auf den Platten mit fortschreitender Zeit t zu und nähern sich asymptotisch den Schranken +Q​ ​ S ​und –Q​ ​ S​(siehe Abb. 2). Dabei gilt: Q(t) = Q​ ​ S​· ​ 2 1 – e​ ​ – ​ t _ r · C​ ​ 3 ​ mit ​Q​ S​= C · U Abb. 1 Abb. 2 entladen eines Kondensators: Ein Kondensator, dessen Platten die Ladungen +Q​ ​ 0 ​und –Q​ ​ 0 ​ tragen und zwischen denen die Spannung ​U​ 0​herrscht, kann in einem Stromkreis wie in Abb. 3 entladen werden. Der Schalter S wird zum Zeitpunkt t = 0 geschlossen. Durch den hervorgerufenen Strom nehmen die Ladungen +Q(t) und –Q(t) auf den Platten mit fortschreitender Zeit t ab und nähern sich asymptotisch dem Wert 0 (siehe Abb. 4). Dabei gilt: Q(t) = Q​ ​ 0​· ​e​ – ​ t _ r · C ​ ​ mit ​Q​ 0​= C · ​U​ 0​ Abb. 3 Abb. 4 a) Ein Kondensator wird geladen. ƒƒBegründe: ​lim t ¥ • ​ Q(t) = ​Q​ S​ ƒƒGib eine Formel für die Zeit t an, die benötigt wird, um 90% der Ladung Q S​auf den Kondensator zu bringen! b) Ein Kondensator wird geladen. ƒƒErmittle eine Formel für die Zunahmegeschwindigkeit von Q(t) zum Zeitpunkt t und gib diese Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t = 0 an! ƒƒZeige: Die Tangente an den Graphen von Q im Punkt (0 1 0) schneidet die Parallele zur t-Achse durch den Punkt (0 1 C · U) an der Stelle τ = R · C. c) Ein Kondensator wird entladen. ƒƒNimm ​U​ 0​= 6v, C = 2 μF, R = 100 Ω an und gib eine Formel für Q(t) an! ƒƒErmittle für diese Werte die Ladungen auf den Platten nach 4 Millisekunden! d) Ein Kondensator wird entladen. ƒƒErmittle eine Formel für die Abnahmegeschwindigkeit von Q(t) zum Zeitpunkt t und gib diese Geschwindigkeit zum Zeitpunkt t = 0 an! ƒƒZeige: Die Tangente an den Graphen von Q im Punkt (0 1 ​ Q​ 0​) schneidet die t-Achse an der Stelle τ = R · C und zu diesem Zeitpunkt ist die Ladung Q auf den e-ten Teil der Anfangsladung ​Q​ 0​gesunken. Fa-r 1 . 4 Fa-r 1 . 6 Fa-r 1 . 7 aN-r 1 . 3 aN-r 2 .1 S R C U + ‒ QS = C · U Q(t) t τ = R · C S R C + Q0 ‒ Q0 Q0 _ e Q0 Q(t) t τ = R · C Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv

RkJQdWJsaXNoZXIy ODE3MDE=