Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Da Ladungen nur auf den Platten sind, beginnen alle Feldlinien auf der positiv ge- ladenen 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 elektri- schen 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 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 1V 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 102). Beispiel: Kapazität eines Plattenkondensators Als Beispiel berechnen wir die Kapazität eines Plattenkondensators, wie er in der Schu- le verwendet wird. Plattengröße A = 0,2m · 0,2m = 0,04m 2 . Plattenabstand d = 1 cm. Damit ergibt sich C = ε 0 · A / d = 8,85 · 10 –12 C 2 /(N · m 2 ) · 0,04m 2 /(0,01m) = 35,4 · 10 –12 F = 35,4pF. Bei U = 10V würde dieser Kondensator gerade Q = C · U = 354 · 10 –12 C speichern und eine Feldstärke E = U / d von 1000V/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 Wickel- kondensatoren). Seit einiger Zeit sind sog. „Supercaps“ mit Kapazitäten bis zu meh- reren tausend Farad am Markt bzw. in stürmischer Entwicklung besonders in Hinblick auf die Energiespeicherung bei Elektrofahrzeugen ( 99.3 ). Die elektrische Zündkerze des Benzinmotors Zündkerzen zünden durch elektrische Funken das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylindern von Benzinmotoren. Bei einem Abstand von ca. 1mm herrscht an den Elektroden zum Zündzeitpunkt eine Spannung von ca. 30 kV . Im starken elektrisch- en 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 Ver- brennung ein. ( 99.4 ) 99.4 Der Zündfunke zwischen den Elektro- den der Zündkerze setzt die Verbrennung des Treibstoff-Luft-Gemisches im Otto-Motor in Gang. 99.3 Ein „Supercap“ der Fa. Maxwell mit 2600 F bei 2,5V. Bei voller Ladung sind in ihm 2,5 · 2600C = 6500C gespeichert. (Vergleiche mit dem Kondensator von Abb. 99.2) E 1 Randfeld 99.1 Zwischen den Platten des Kondensators besteht ein konstantes paralleles Feld, das nur am Rand abweicht. 99.2 In Folien-Kondensatoren tragen aufge- wickelte mit Aluminium beschichtete Kunst- stofffolien die Ladungen. 99 | FELDER Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv