Der Kondensator

Untertitel: Ein gerollter Sandwich

Die einfachste Bauform eines Kondensators ist der Plattenkondensator. Er besteht aus zwei parallelen leitenden Platten (siehe Abb.). In der Praxis verwendet man ein Art Sandwich aus Metallfolien und Isolatoren und rollt diesen zu einer handlichen Form

a) Um Platz zu sparen werden Plattenkondensatoren meisten eingerollt, b) gängige Kondensatorformen.

Das elektrische Feld zwischen den Platten eines Kondensators. Je mehr Ladungen auf den Platten sind, desto größer wird die Spannung zwischen diesen.

Das Feld zwischen den geladenen Platten ist mit Ausnahme des Randes homogen und die Feldlinien sind senkrecht zur Oberfläche. Weil der Rand im Vergleich mit der Plattenfläche nicht ins Gewicht fällt, können wir ihn bei unserer Überlegung vernachlässigen. Wenn man die Anzahl der Ladungen auf den Platten verdoppelt, dann verdoppelt sich die Anzahl der Feldlinien (b) und somit auch die Spannung. Der Quotient von Ladung und Spannung ist also für einen bestimmten Kondensator immer gleich groß. Man nennt ihn die Kapazität des Kondensators, das bedeutet Speichervermögen. Sie trägt zu Ehren Michael Faradays die Einheit Farad.

In Schaltkreisen hat man natürlich nur eine begrenzte Spannung zum Aufladen der Platten. Nehmen wir 1 V an. Hat ein Kondensator 1 Farad und bringt man die Platten auf 1 V, dann ist in ihm eine Ladung von 1 C gespeichert, hat er 2 Farad, sind 2 C gespeichert und so weiter. Je größer das Speichervermögen, desto mehr Ladungen kann man bei gleicher Spannung speichern. Ein Farad ist eine enorm große Einheit. Die Angaben erfolgen meistens in Mikro-, Nano- oder sogar Picofarad.

Bringt man einen Isolator zwischen die Platten, wird dieser polarisiert (b). Dadurch enden manche der Feldlinien an seiner Außenseite, und das Feld zwischen den Platten wird abgeschwächt. Es verringert sich also die Feldliniendichte und somit auch die Spannung.

Durch einen Isolator zwischen den Platten kann man die Kapazität erhöhen. Warum? Durch dessen Polarisation sinkt bei gleicher Ladung die Feldliniendichte ab und somit die Spannung zwischen den Platten, nehmen wir an von 1 auf 0,5 V. Wenn du die Platten wieder auf 1 V bringst, dann sind sie nun doppelt so stark geladen wie vorher. Doppelte Ladung bei gleicher Spannung bedeutet doppelte Kapazität. Manche Materialien können die Kapazität um den Faktor `10^5` erhöhen!

Was passiert, wenn man die Platten eines geladenen Kondensators auseinander zieht? Es ist zunächst verblüffend, aber dabei steigt die Spannung. Warum? Zum Auseinanderziehen benötigt man Energie, weil die Platten gegengleich geladen sind. Diese Energie kann nicht verloren gehen, sondern sie steckt dann im elektrischen Feld. Weil sich die Ladung dabei nicht verändert, muss sich die Spannung erhöhen. Deshalb wäre auch bei einem Kurzschluss nach dem Auseinanderziehen der Funke stärker (F21). Umgekehrt sinkt die Spannung, wenn man die Platten aneinander schiebt. Diese Tatsache nützt man zum Beispiel bei der Tastatur und Sensortaste aus.

In einem Kondesator ist relativ wenig Energie gespeichert. Wenn man diese aber in einer sehr kurzen Zeit entlädt, lassen sich beinahe unglaubliche Leistungen produzieren. Auf diesem Prinzip basieren der Defibrillator oder ein Kamerablitz (F20; siehe auch F26).

Messung der Spannungsveränderung bei Änderung des Abstandes mit Hilfe eines Elektroskops.

Wird der Abstand vergrößert, wird Energie zugeführt. Weil die Ladung unverändert bleibt, steigt die Spannung: $\uparrow E_p = Q\cdot \uparrow U$ Wenn die Spannung steigt, sinkt die Kapazität: $\downarrow C = Q/ \uparrow U$.

Wird der Abstand verkleinert, wird Energie abgeführt. Weil die Ladung unverändert bleibt, sinkt die Spannung: $\downarrow E_p = Q\cdot \downarrow U$ Wenn die Spannung sinkt, steigt die Kapazität: $\uparrow C = Q/ \downarrow U$.

• Die Kapazität eines Kondensators gibt an, wie viele Ladungen sich bei gleicher Spannung speichern lassen.
• Diese kann durch den Abstand und durch Einbringen eines Isolators verändert werden.