Kapazität verstehen
Ein kleines Glas fasst eine kleine Menge Trinkwasser, ein großes Glas hingegen mehr. Je größer das Glas, desto mehr Wasser kann es fassen. Jedes Glas hat also ein Fassungsvermögen, das angibt, wie viel Wasser es aufnehmen kann. Ähnlich wie Gläser können auch Kondensatoren elektrische Ladung und elektrische potenzielle Energie speichern. Die Kapazität eines Kondensators, also das Maß für seine Fähigkeit, elektrische Ladung und elektrische potenzielle Energie zu speichern, wird als elektrische Kapazität bezeichnet. Kapazität.
Faktoren, die die Kapazität beeinflussen
Das Fassungsvermögen eines Glases für Wasser wird durch sein Volumen bestimmt. Wie verhält es sich bei Kondensatoren? Wovon hängt die Speicherkapazität eines Kondensators für elektrische Ladung ab?
Die Abbildung unten zeigt einen einfachen Kondensator, bestehend aus zwei leitenden Platten mit einem bestimmten Abstand. Bevor er an eine Spannungsquelle, beispielsweise eine Batterie, angeschlossen wird, sind beide Platten ungeladen. Anschließend wird eine Platte mit dem Pluspol und die andere mit dem Minuspol der Batterie verbunden.
Nach dem Anschluss an den Pluspol der Batterie zieht die positive Ladung der Batterie die negativ geladenen Elektronen auf der Platte an, wodurch diese zum Pluspol der Batterie wandern. Dies führt zu einem Mangel an Elektronen (negative Ladung) und einem Überschuss an Protonen (positive Ladung) auf der Platte, was eine positive Ladung zur Folge hat.
Analog dazu zieht die positive Ladung der Platte, nachdem sie mit dem Minuspol der Batterie verbunden wurde, die negativ geladenen Elektronen des Minuspols an, wodurch diese zur Platte wandern. Dadurch entsteht ein Elektronenüberschuss auf der Platte, wodurch diese negativ geladen wird.
Der Elektronentransfer zwischen den Platten und der Batterie kommt zum Erliegen, wenn die Potentialdifferenz zwischen den beiden Platten gleich der Potentialdifferenz zwischen den beiden Polen der Batterie ist.
Wie kann die elektrische Ladung auf beiden Leiterplatten ansteigen? Anders gefragt: Was muss geschehen, um den Elektronentransfer erneut zu ermöglichen? Elektronentransfer findet nur statt, wenn die elektrische Potenzialdifferenz zwischen den beiden Polen der Batterie größer ist als die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Leiterplatten. Damit der Elektronentransfer wieder einsetzt und die Ladung auf jeder Leiterplatte zunimmt, muss die verwendete Batterie durch eine andere Batterie oder eine andere Spannungsquelle mit einer höheren Potenzialdifferenz ersetzt werden. Der Elektronentransfer endet, sobald die Potenzialdifferenz der Spannungsquelle der Potenzialdifferenz des Kondensators entspricht. Ist die Potenzialdifferenz der Spannungsquelle also größer, ist auch die des Kondensators größer.
Aus der obigen Betrachtung lässt sich schließen, dass mit zunehmender elektrischer Ladung auf jeder Leiterplatte auch die elektrische Potenzialdifferenz zwischen den beiden Leiterplatten zunimmt. Daher ist die elektrische Ladung (Q) proportional zur elektrischen Potenzialdifferenz (V). Der Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und elektrischer Potenzialdifferenz wird durch folgende Proportionalitätsgleichung ausgedrückt:
Q α V
Die obige Proportionalität wird durch Hinzufügen der Proportionalitätskonstante C in eine Gleichung umgewandelt:
Q = CV oder C = Q / V
Beschreibung: Q = elektrische Ladung (Coulomb), V = elektrische Potentialdifferenz oder elektrische Spannung (Volt), C = Proportionalitätskonstante, die als Kapazität des Kondensators bezeichnet wird.
Der Kapazitätswert hängt nicht von der elektrischen Ladung und Spannung ab, sondern von der Form und Größe der Leiterplatte. Der mathematische Beweis dafür, dass die Kapazität von der Form und Größe der Leiterplatte abhängt, wird im Artikel über die Kondensatortypen basierend auf der Form der Leiterplatte erläutert. Parallelplattenkondensator, zylindrischer Kondensator Dan Kugelförmiger KondensatorIn diesem Artikel wird davon ausgegangen, dass zwischen den beiden Leiterstücken ein Vakuum herrscht.
Die Kapazität eines Kondensators hängt auch von den Eigenschaften des Materials zwischen den beiden leitenden Platten ab. Dieses Material zwischen den beiden leitenden Platten wird als Kondensator bezeichnet. DielektrikumDie Kapazität eines Kondensators mit Dielektrikum wird im Artikel über Dielektrizitätskonstante.
Einheit der Kapazität
Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb und die Einheit der elektrischen Potenzialdifferenz das Volt. Ausgehend von der obigen Kapazitätsgleichung ist die Einheit der Kapazität Coulomb pro Volt (C/V), auch Farad (F) genannt, benannt nach dem britischen Wissenschaftler Michael Faraday (1791–1867). Somit gilt: 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Ein Kondensator mit einer Kapazität von beispielsweise 2 Farad speichert eine elektrische Ladung von +2 Coulomb auf der einen und -2 Coulomb auf der anderen Leiterplatte. Zwischen den beiden Leiterplatten besteht eine Potenzialdifferenz von 1 Volt. Wird eine 12-Volt-Batterie an den Kondensator angeschlossen, trägt eine der Leiterplatten eine Ladung von Q = CV = (2) × 12 Volt = +24 Coulomb, während die andere eine Ladung von -24 Coulomb aufweist.
Es ist zu beachten, dass Farad eine sehr große Einheit der Kapazität ist, daher wird üblicherweise eine kleinere Einheit verwendet, nämlich Mikrofarad, abgekürzt μF (10-6 Farad) bis PicoFarad abgekürzt pF (10-12 Farad). Mathematische Berechnungen, die zeigen, dass das Farad eine sehr große Einheit ist, werden in diskutiert. Beispielaufgaben zu Plattenkondensatoren.
