Da Ladungen nur auf den Platten sind, beginnen alle Feldlinien auf der positiv geladenen Platte und enden auf der negativen. Das Feld zwischen den Platten ist umso stärker, je dichter die Ladungen auf den Platten sitzen. Es gilt: Die Feldstärke E im Plattenkondensator ist proportional zur Ladungsdichte Q/A, wobei Q die Ladung der positiven Platte und A die Fläche einer Platte ist (Der Proportionalitätsfaktor ist 1/ε 0). Tragen die parallelen Leiterplatten eines Plattenkondensators jeweils die elektrischen Ladungen Q und −Q, so herrscht im materiefreien Raum zwischen ihnen ein elektrostatisches Feld, dessen Feldstärke E den Betrag E = Q _ ε 0·A hat. A ist die Fläche einer Plattenseite. Die Spannung zwischen den Platten beträgt U = E·d = Q _ ε 0·A ·d (d ist der Abstand der Platten). Die Spannung U zwischen den Kondensatorplatten ist proportional zur gespeicherten Ladung Q. Kondensatoren werden in der Praxis in vielen elektrischen Geräten und ganz besonders in der Schwachstrom- und Computertechnik als kurzfristige Ladungsspeicher verwendet. Als Maß für die Speicherfähigkeit definiert man die Kapazität: Die Kapazität C eines Kondensators ist das Verhältnis von Ladung auf einer Platte zu Spannung zwischen den Platten: C = Q _ U Für einen Plattenkondensator gilt C = ε 0· A _ d Die Einheit der Kapazität heißt Farad (F). 1 F = 1 C/V. Ein Kondensator mit 1 F Speichervermögen speichert bei 1 V Spannung 1 C. Um bei einer vorgegebenen Spannung U in einem Kondensator möglichst viel Ladung zu speichern, muss seine Kapazität entsprechend groß sein. Das lässt sich durch große Plattenflächen oder/und kleinen Plattenabstand erreichen. Die Kapazität lässt sich durch Einbringen eines Isolators zwischen die Kondensatorplatten erhöhen (siehe S. 112). Um eine große Kapazität zu erreichen, muss die speichernde Fläche möglichst groß sein. Technische Kondensatoren werden z. B. aus mit Aluminium beschichteten Kunststofffolien von etwa 1 µm Stärke in vielen Schichten gefertigt (Folien- oder Wickelkondensatoren). Seit einiger Zeit sind sog. „Supercaps“ mit Kapazitäten bis zu mehreren tausend Farad am Markt besonders in Hinblick auf die Energiespeicherung bei Elektrofahrzeugen. Die elektrische Zündkerze des Benzinmotors Zündkerzen zünden durch elektrische Funken das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylindern von Benzinmotoren. Bei einem Abstand von ca. 1 mm herrscht an den Elektroden zum Zündzeitpunkt eine Spannung von ca. 30 kV. Im starken elektrischen Feld von E ≈ 3·10 7 V/m werden Elektronen aus der negativen Elektrode gerissen und beschleunigt, sie ionisieren durch Stöße Luftmoleküle. Durch die vermehrte Anzahl der Ladungsträger steigt die Stromstärke und der Zündfunke leitet die Verbrennung ein. (108.3) 108.1 Zwischen den Platten des Kondensators besteht ein konstantes paralleles Feld, das nur am Rand abweicht. E1 Randfeld 108.2 Folien-Kondensator: Vielfach gewickelte Aluminium-Folien tragen die Ladungen. Die isolierende Trennfolie aus Kunststoff sorgt für den gleichmäßigen Abstand der Ladungsträger. Anode (+) + + Kathode (–) Trennfolie Gehäuse Anschluss Beispiel: Kapazität eines Plattenkondensators Als Beispiel berechnen wir die Kapazität eines Plattenkondensators, wie er in der Schule verwendet wird. Plattengröße A = 0,2 m·0,2m = 0,04m2. Plattenabstand d = 1 cm. Damit ergibt sich C = ε 0·A/d = 8,85·10 −12 C 2/(N·m 2)·0,04 m 2/(0,01 m) = 35,4·10 −12 F = 35,4 pF. Bei U = 10 V würde dieser Kondensator gerade Q = C·U = 354·10 −12 C speichern und eine Feldstärke E = U/d von 1000 V/m besitzen. 108.3 Der Zündfunke zwischen den Elektroden der Zündkerze setzt die Verbrennung des Treibstoff-Luft-Gemisches im Otto-Motor in Gang. 108 Felder 4 Elektrisches Feld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MTA2NTcyMQ==