Energie eines geladenen Kondensators, Verwendung von Kondensatoren

Metalle sind hervorragende Stromleiter. Sie leiten Elektrizität, weil sie freie Elektronenträger ohne elektrische Ladung haben. Und wenn an den Enden beispielsweise eines Kupferdrahtes mit Hilfe einer konstanten EMF-Quelle eine Potentialdifferenz erzeugt wird, entsteht in einem solchen Draht ein elektrischer Strom – Elektronen treten vom Minuspol der EMF nach vorne Quelle - an seinen Pluspol.

Im Gegenteil, Dielektrika sind keine Leiter für elektrischen Strom, da sie keine freien Träger elektrischer Ladung enthalten. Positive und negative Ladungsträger in Dielektrika sind miteinander verbunden und bilden sogenannte elektrische Dipole, die sich in einem äußeren elektrischen Feld nur drehen, sich aber unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes nicht translatorisch bewegen können.

Mehr dazu: Unterschiede zwischen Metallen und Dielektrika, Und Warum Dielektrika keinen Strom leiten

Nehmen Sie zum Beispiel ein Stück Dielektrikum in Form eines PVC-Rohrs (Polyvinylchlorid ist ein Dielektrikum).Decken Sie die Außenfläche der Tube mit Frischhaltefolie ab und packen Sie einfach mehr zerknitterte Folie hinein, sodass diese rundherum die Innenwände der Tube berührt.

Nehmen wir nun beispielsweise die EMF-Quelle Batterie von 24 Volt und verbinde es mit dem Minuspol mit der Innenfolie und dem Pluspol mit der Außenfolie, dann erhalten beide Teile der Folie eine Ladung unterschiedlichen Vorzeichens von der Batterie und ein von außen nach innen gerichtetes elektrisches Feld wirken im gesamten Volumen der PVC-Rohrwand.

Daher drehen sich die dielektrischen Moleküle (PVC) in diesem elektrischen Feld und orientieren sich entsprechend dem externen elektrischen Feld – Das Dielektrikum ist polarisiert so dass die Moleküle, aus denen es besteht, ihre negativen Seiten nach außen – bzw. zur positiven Elektrode (zu der mit dem Batterieplus verbundenen Folie) – und ihre positiven Seiten nach innen, zur negativen Elektrode, drehen. Nehmen wir den Akku heraus.

Die positive Ladung verbleibt auf der Außenfolie, da sie immer noch von den nach außen gerichteten negativ geladenen Seiten der PVC-Moleküle gehalten wird, und eine negative Ladung auf der Innenseite, da sie von den positiven Seiten der gedrehten dielektrischen Moleküle gehalten wird nach innen. Alles geschah in voller Übereinstimmung mit dem Gesetz der Elektrostatik.

Verschließt man nun den äußeren und inneren Teil der Folie mit einer Zange, so erkennt man im Moment des Verschließens einen kleinen Funken: Die entgegengesetzten Ladungen der Platten ziehen sich gegenseitig an und verursachen einen Strom durch den Draht (Zange) und das Dielektrikum kehrt in seinen ursprünglichen neutralen Zustand zurück.

Man kann mit Sicherheit sagen, dass sich in diesem Gerät, das aus einem dielektrischen Rohr und zwei Folienplatten besteht, beim Anschließen einer Batterie eine Ansammlung von bildet Elektrische Energie.

Geräte mit einer ähnlichen Konfiguration werden als Dielektrikum bezeichnet, das zwischen voneinander isolierten leitfähigen Platten eingeschlossen ist elektrische Kondensatoren.

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Historisch gesehen wurde der erste Prototyp eines Kondensators, die Leiden Bank, 1745 in Leiden vom deutschen Physiker Ewald Jürgen von Kleist und unabhängig davon vom niederländischen Physiker Peter van Muschenbrück erfunden.

Die Energie eines geladenen Kondensators hängt von der Spannung (Potenzialdifferenz zwischen den Platten) ab, auf die er geladen wird, da es sich um die potentielle Energie entgegengesetzter Ladungen auf den voneinander getrennten Platten handelt.

Daher ist diese Energie gleich der Arbeit, die das elektrische Feld dieser Ladungen verrichtet, wenn sie sich gegenseitig anziehen (oder die die Quelle verrichtet, wenn sie beim Laden des Kondensators getrennt werden). Die elementare Arbeit, einen elementaren Teil der Ladung von einer Platte auf eine andere zu bewegen, ist gleich:

Kondensatoren unterschiedlicher Konfiguration weisen bei Ladung mit der gleichen Ladungsmenge unterschiedliche Potenzialunterschiede zwischen den Platten auf. Man kann auch sagen, dass bei verschiedenen Kondensatoren unterschiedliche an die Platten angelegte Spannungen zu einer quantitativ unterschiedlichen Ladung führen.

In der Praxis bedeutet dies, dass jeder Kondensator einen bestimmten konstanten Wert hat, eine Eigenschaft, die diesen bestimmten Kondensator charakterisiert und sich auf seine Konfiguration, die Form der Platten, die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums usw. bezieht. Dieser Parameter wird aufgerufen elektrische Kapazität C. Die Ladung eines Kondensators q hängt wie folgt von der Potentialdifferenz zwischen seinen Platten U ab:

Daher kann der Ausdruck für die Gesamtenergie des geladenen Kondensators nach der Integration wie folgt geschrieben werden:

Kondensatoren werden heute in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik eingesetzt: als elektrische Energiespeicher, als Filter zur Wellenglättung in Stromversorgungen, bei der Steuerung von RC-Schaltungen elektronischer Geräte, in Blindleistungskompensationsgeräten, in Induktionsanlagen und Funkgeräten als Teil eines Schwingkreises, in leistungsstarken Impulsgeneratoren, in elektromagnetischen Beschleunigern, in Luftfeuchtigkeitsmessgeräten usw.

Weitere Details finden Sie hier:Warum werden Kondensatoren in Stromkreisen verwendet?