Wovon hängt die Ladungsmenge ab, die sich auf einem Plattenpaar speichern lässt?
Wovon hängt die Ladungsmenge ab, die sich auf einem Plattenpaar speichern lässt?
`E = Q/(\varepsilon*A) ⇒ U = E*d * Q/(\varepsilon_0*A)*d = Q/((\varepsilon_0*A)/d) = Q/C ⇒ Q = U*C `
Die Kapazität C eines Kondensators ist das Verhältnis von Ladung auf einer Platte zu Spannung zwischen den Platten:
`C=Q/U`
Die Kapazität beschreibt die geometrischen Verhältnisse eines Kondensators: `C = \varepsilon_0*A/d`
[C] = 1 F (Farad)
Wickelkonensator
Elektrolytkondensator
Was hat eine Computertastatur mit einem Kondensator zu tun?
In einer Computertastatur befindet sich unter jeder Taste ein Kondensator. Die Platten sind auf zwei Kunststoffschichten quasi „aufgedruckt“. Der Abstand zur unteren Schichte und somit zur zweiten Platte wird durch den Tastendruck verringert und somit auch die Spannung des betreffenden Kondensators. So weiß der PC, welche Taste du gedrückt hast. Ganz ähnlich funktioniert auch eine Sensortaste (b). Bei ihr fungiert aber der Finger als zweite Platte.
| a) Die Scheibchen unter den Tasten sind die Platten der Kondensatoren. Es ist nur die obere Schichte dargestellt, b) Eine Sensortaste ist eine durch Kunststoff isolierte Platte. Gemeinsam mit dem Finger wird diese zu einem Kondensator. |
Wie funktioniert eine Zündkerze?
| 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. |
Die elektrischen Eigenschaften einer Nervenzelle können mit einem Kondensator erklärt werden
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Die Zellmembran begrenzt den Innenraum der Nervenzelle. Im Zellinneren (im Bild unten) sind mehr negative Ionen (`Cl^-`, ionisierte Proteine) vorhanden als positive (vor allem `K^+`), im Außenraum (im Bild oben) überwiegen die positiven Nationen. Das elektrische Feld innerhalb der Membran ist überall ungefähr gleich groß und gleich gerichtet. |
Die Nervenzelle kann als Plattenkondensator angesehen werden. Zwischen dem Außen- und dem Innenraum besteht eine elektrische Spannung von `0,07` V. Bei einer Membrandicke von `10^(-8)` m (`10` nm) ergibt sich eine Feldstärke von rund `7*10^6` V/m.
Zum Vergleich: In trockener Luft setzt bei einer Feldstärke von `3*10^6` V/m ein elektrischer Durchschlag, ein Blitz, ein.
Ist die Erde elektrisch geladen?
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Das elektrische Feld der Erde nehmen wir nur bei Gewittern wahr, wenn es sich in Blitzen entlädt. Es ist aber stets - auch bei schönem Wetter - vorhanden. Feldstärke an der Erdoberfläche beträgt etwa E= 130 V/m. Das Feld ist lotrecht nach unten gerichtet. Die Erde ist negativ geladen. Ihre Ladung Q ergibt sich aus `E = 1/(4\pi\varepsilon_0)*|Q|/r_E^2 ⇒ |Q| = 4\pi\varepsilon_0 * r_E^2*E` `|Q| = 4 pi * 8,85*10^(-12) C^2/(Nm^2)*(6,4*10^12m)^2*130 N/C = 600 000\ C` Die Ladung der Erde beträgt also rund `-6*10^5` C. |
Dieser negativen Ladung der Erdoberfläche steht eine gleich große, positive Ladung in den höheren Schichten der Atmosphäre, der Ionosphäre, gegenüber.
Die kosmische Strahlung ionisiert Luftmoleküle, die positiven Ionen werden im elektrischen Feld der Erde zum Erdboden getrieben. Dadurch fließt dauernd ein Strom von etwa 2 000 A von der Ionosphäre zum Erdboden. Die negative Ladung der Erde wäre in einer Viertelstunde neutralisiert, würden nicht vor allem die tropischen Gewitter negative Ladung zur Erde und positive in die Atmosphäre transportieren
Wann braut sich ein Gewitter zusammen?
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Die Gewitterwolke funktioniert wie ein riesiger Bandgenerator. Mechanische Energie der Aufwinde wird in elektrische Energie umgewandelt. Gewitterwolken entstehen, wenn feuchte, warme Luft vom Boden aufsteigt. Dabei kühlt sie durch Ausdehnung ab. Der enthaltene Wasserdampf kondensiert zu kleinen Tröpfchen, Kondensationswärme wird frei. Deshalb ist die aufsteigende Luft wärmer als die Luft in der Umgebung und steigt in eine Höhe von 10 bis 15 km. Die detaillierten Vorgänge, die zur Aufladung von Wolken führen, sind auch heute noch nicht vollständig geklärt. Die elektrische Ladung einer voll entwickelten Gewitterwolke verteilt sich auf drei Bereiche: Der Oberteil der Wolke, der sich etwa 12 km hoch ans Ende der Troposphäre, des Bereichs des Wettergeschehens, erstreckt, ist positiv geladen. Dort beträgt die Temperatur etwa -60 °C. Die negative Ladung ist in einer wenige hundert Meter dicken Schicht in etwa 6 km Höhe bei -15 °C konzentriert. Darunter befindet sich eine weitere, nur schwach ausgeprägte Zone positiver Ladung in rund 2 km Höhe. |
Das elektrische Feld an der Erdoberfläche wird hauptsächlich durch die negative Ladungszone der Wolke bestimmt. Durch Influenz wird unter der Wolke die negative Ladung der Erdoberfläche verdrängt, so dass sich dort positive Ladung aufbaut. Das System Gewitterwolke-Erdoberfläche verhält sich wie ein riesiger Doppelkondensator, dessen äußere Platten (Wolkenobergrenze, Erdoberfläche) positiv geladen sind, während die mittlere Platte (Wolkenuntergrenze) eine negative Ladung trägt. Die Spannung zwischen Erdboden und Wolke beträgt einige 10 Mio. Volt.
Übersteigt die elektrische Feldstärke lokal `10^6` V/m, beginnt die Blitzentladung.
Sie wird von einem Vorblitz eingeleitet, der sich vom unteren Rand der negativen Zone zur Erdoberfläche vorschiebt. Elektronen ionisieren die Luft und bilden schrittweise kurze (ca. 50 m lange) Stücke des Blitzkanals.
Wenn der Blitzkanal Bodennähe erreicht, setzt der Hauptblitz ein. Durch die hohe Feldstärke unter dem Blitzkanal beginnt an der Erdoberfläche eine Spitzenentladung, durch die positive Ionen über den Blitzkanal zur Wolke fließen. Ströme von etwa 20 kA fließen zwischen Wolke und Erde.