Sexl Physik 7, Schulbuch

| 60 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 Pro­ portionalitätsfaktor ist 1/ ε 0 .) Tragen die parallelen Leiterplatten eines Plattenkondensators jeweils die elektri­ schen Ladungen Q und – Q , so herrscht im materiefreien Raum zwischen ihnen ein elektrostatisches Feld, dessen Feldstärke E den Betrag hat. A ist die Fläche einer Plattenseite. Die Spannung zwischen den Platten beträgt U = E·d = ·d . ( d ist der Abstand der Platten.) Die im Kondensator gespeicherte Ladung Q ist der Spannung U zwischen den Plat­ ten proportional. Kondensatoren werden in der Praxis in vielen elektrischen Geräten und ganz be­ sonders in der Schwachstrom und Computertechnik als kurzfristige Ladungsspei­ cher 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 La­ dung zu speichern, muss seine Kapazität entsprechend groß sein. Das lässt sich durch große Plattenflächen oder/und kleinen Plattenabstand erreichen. Die Kapa­ zität lässt sich durch Einbringen eines Isolators zwischen die Kondensatorplatten erhöhen (siehe Seite 63). Beispiel: Kapazität eines Plattenkondensators Als Beispiel berechnen wir die Kapazität eines Plattenkondensators, wie er in der Schu- le verwendet wird. Plattengröße A = 0,2 m · 0,2 m = 0,04 m 2 . 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. Wie man an dem Beispiel sieht, muss die speichernde Fläche möglichst groß sein. Technische Kondensatoren werden z. B. aus mit Aluminium beschichteten Kunst­ stofffolien von etwa 1 µ m Stärke in vielen Schichten gefertigt (Folien oder Wi­ ckelkondensatoren). Seit einiger Zeit sind sog. „Supercaps“ mit Kapazitäten bis zu mehreren tausend Farad am Markt bzw. in stürmischer Entwicklung besonders in Hinblick auf die Energiespeicherung bei Elektrofahrzeugen ( 60.3 ). Die elektrische Zündkerze des Benzinmotors Zündkerzen zünden durch elektrische Funken das KraftstoffLuftGemisch 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 ele­ ktrischen Feld von E ≈ 3·10 7 V/m werden Elektronen aus der negativen Elektrode gerissen und beschleunigt, sie ionisieren durch Stöße Luftmoleküle. Durch die ver­ mehrte Anzahl der Ladungsträger steigt die Stromstärke und der Zündfunke leitet die Verbrennung ein. ( 60.4 ) E 1 Randfeld 60.1 Zwischen den Platten des Kondensators besteht ein konstantes paralleles Feld, das nur am Rand abweicht. 60.2 In Folien-Kondensatoren tragen aufgewi- ckelte mit Aluminium beschichtete Kunststoff- folien die Ladungen. 60.3 Ein „Supercap“ der Fa. Maxwell mit 2600 F bei 2,5 V. Bei voller Ladung sind in ihm 2,5·2600 C = 6500 C gespeichert. (Vergleiche mit dem Kondensator von Abb. 60.2) 60.4 Der Zündfunke zwischen den Elektro- den der Zündkerze setzt die Verbrennung des Treibstoff-Luft-Gemisches im Otto-Motor in Gang. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv