Im folgenden Schaltkreis beobachtet man eigenartige Phänomene: = > Beim Einschalten leuchtet die Glühbirne für

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1 + Kapitel 4 KAPAZITÄT und ENERGIE 4. Kondensator Ein Kondensator besteht typischerweise aus zwei Leiterplatten, die sich in einem kleinen Abstand voneinander befinden. Meist liegt zwischen den Elektroden eine dielektrische Isolierschicht, die auch zur Erhöhung der Kapazität führt. Im folgenden Schaltkreis beobachtet man eigenartige Phänomene: = > Beim Einschalten leuchtet die Glühbirne für einige Zeit auf, wird immer schwächer und verlischt, wenn der Kondensator aufgeladen ist. Ersetzt man darauf hin die Stromquelle durch einen Kurzschluss beobachtet man dasselbe Phänomen: Die Glühbirne leuchtet für einige Zeit auf, wird immer schwächer und verlischt, wenn der Kondensator entladen ist. = F A * = J J A H E A * = J J A H E A Zu Beginn besteht keine Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorplatten. Deshalb erscheint beim Anlegen der Batterie die Potentialdifferenz U b an der Glühlampe und sie leuchtet. Der Stromfluß durch die Lampe führt zur Aufladung des Kondensators, bis die Kondensatorspannung den Wert U c U b. erreicht. 33

2 34 KAPITEL 4. KAPAZITÄT UND ENERGIE Im geladenen Zustand beschreibt man den Kondensator durch zwei Elektroden, die jeweils die Ladungen + und tragen. Die beiden Elektroden befinden sich auf dem Potential φ und φ 2. Die Potentialdifferenz beträgt U = φ φ 2. Die Flächenladungsdichte auf den Elektroden ist σ = /ɛ 0. Das Feld im Kondensator ist proportional zur Ladung, die auf den Leiterflächen sitzt und umso kleiner, je größer die Elektrodenoberfläche A ist (siehe dazu Seite 7) E = ɛ 0 A = σ ɛ 0 (4.) Die Kapazität dieses Systems definiert man als C = U (4.2) Die Dimension der Kapazität ist [ ] Coulomb = [F arad] (4.3) V olt Gebräuchlich sind Kondensatoren im Pico, Nano und MikrofaradBereich. Feld in einem Plattenkondensator Zwei Platten, bei x = 0 und bei x = d, tragen die Ladungen + und. Im Raum dazwischen befinden sich keine freien Ladungen (auch keine Materie). Zur Berechnung der Potentialverteilung verwenden wir die LaplaceGleichung (siehe Seite 20) in einer Dimension d 2 φ = 0 φ(x) = ax + b (4.4) dx2 mit den Randbedingungen φ x=0 = φ = b und φ x=d = φ 2 = ad + φ. Mit a = (φ 2 φ )/d = U/d ergibt sich der Potentialverlauf zwischen den Platten als φ(x) = U d x + φ (4.5) und das Feld als E = φ = U ˆx. (4.6) d Bei einer Plattenfläche A gilt für den Betrag ( ausgedehnter B B 7 E = σ ɛ 0 = ɛ 0 A = U d (4.7) und den Proportionalitätsfaktor in der Beziehung = C U, die Kapazität C = ɛ 0 A d. (4.8) Diese Gleichung gilt für einen mit Luft (=Vakuum) gefüllten Kondensator. Beispiel: für A = cm 2 und d = mm ist C = 0.9 pf.

3 3 H 4.. KONDENSATOR 35 Kapazität eines Kugelkondensators Zwei konzentrische Hohlkugeln mit den Radien r i und r a tragen die Ladungen + und. Im Innenraum r < r i herrscht kein Feld. Das Potential in diesem Bereich ist gleich dem der inneren Kugel φ i = f c r i (4.9) Das Feld zwischen beiden Kugelflächen ist gleich dem, das durch eine im Kugelmittelpunkt sitzende Ladung + erzeugt würde: E(r >r i ) = f c r 2 êr (4.0) Das Potential für (r i <r <r a ) ist φ(r) = f c r (4.) 3 H E H = Im Aussenraum (r >r a ) addiert sich das Feld der innernen Kugel (Gl.4.0) und das der äußeren Kugel zum Gesamtfeld Null (die eingeschlossene Gesamtladung ist gleich Null). Die Feldstärke macht an der Innen bzw. Aussenwand je einen Sprung um σ/ɛ 0, wobei in unserem Beispiel σ i = +/(4ri 2π) und σ a = /(4raπ) 2 ist. Die Potentialdifferenz zwischen den Kugelflächen ist ( U = φ i φ a = f c ) (4.2) r i r a Damit ist die Kapazität des Kugelkondensators C = U = = φ i φ a f c r i r a r a r i (4.3) Wenn der Abstand zwischen den Kugelflächen klein ist (r i R r a ), führen wir für den Abstand d = r a r i ein und setzen R 2 r i r a C = f c R 2 d = 4πɛ 0R 2 d = ɛ 0 A d wobei A = 4R 2 π die Oberfläche der Kugel ist. (4.4) Inwieweit im Außenraum dennoch eine von Null verschiedene Feldstärke vorliegt, hägt von der Potentialdifferenz zwischen der äußeren Kugel und seiner Umgebung ab! Im Bild hier haben wir die äussere Hohlkugel geerdet.

4 36 KAPITEL 4. KAPAZITÄT UND ENERGIE Kapazität einer Kugel Wenn wir den Radius der äußeren Kugel gegen anwachsen lassen, ergibt sich aus (4.2) die Kapazität einer einzelnen Kugel mit Radius R = r i gegenüber einer Gegenelektrode im Unendlichen (φ = 0) als C = 4πɛ 0 R (4.5) Schaltung von Kondensatoren parallel: gleiche Spannung liegt an der Summe der Flächen, damit steigt nach Gl.(4.8) die Kapazität C gesamt = i C i. (4.6) in Serie: Die gleiche Ladungsdifferenz (jeweils + und ) verteilt sich über die Summe der Abstände zwischen den Kondensatorplatten. Für die gesamte angliegende Spannung gilt U 0 = i U i. Damit sinkt nach Gl.(4.8) die Kapazität C gesamt = i C i. (4.7) Spannungsüberhöhung bei Verringerung der Kapazität Wir laden einen Kondensator auf, an dem ein Elektrometer angeschlossen ist. Die Ladung verteilt sich auf den Kondensator und das Elektrometer gemäß ges = C + E = C E U E + C C U C Die Ladung sei zeitlich konstant. Die Potentialdifferenz U E = U C = U und ges = (C E + C C ) U Wenn wir jetzt den Plattenabstand d erhöhen und damit die Kapazität C C erniedrigen, dann steigt die Spannung U an! 7 7 +

5 ) Energie des elektrischen 3 Ein Ladungslöffel überträgt die Ladungsmenge d auf eine isolierte Kugel im Vakuum und leistet dabei die Arbeit dw = d (φ R φ ) = d φ R wobei wir φ = 0 gesetzt haben. Für das Potential der Kugel schreiben wir φ R = f c R. Die Arbeit ist also gleich W = f c R d = 4πɛ 0 R 2 2 = 2 2 C Eine geladene Kugel ist damit ein Energiespeicher (4.8) W el = 2 2 C = 2 CU 2 (4.9) Diese Gleichung verwenden wir jetzt für einen Plattenkondensator. Für einen ebenen Plattenkondensator gelten die Beziehungen: und C = ɛ 0 A/d U = E d Mit dem Ausdruck für das im Volumen des Kondensators A d = V ist die im elektrischen Feld des Plattenkondensators gespeicherte Energie W el = 2 C U 2 = 2 ɛ 0E 2 Ad = 2 ɛ 0E 2 V (4.20) Diese Beziehung gilt für beliebige elektrische Feldanordnungen im Vakuum. Über sie lässt sich die Energiedichte des elektrischen Feldes definieren: w el = W el /V = 2 ɛ 0E 2 (4.2) Die Dimension der Energiedichte des elektrischen Feldes ergibt sich aus dieser Gleichung als [ ] [w el ] = 2 ɛ 0E 2 = A s V 2 V m m 2 = V A s m 3 = W s m 3 = J m 3 (4.22)

6 38 Kraft zwischen Platten eines Kondensators Das elektrische Feld zwischen den Platten eines Kondensators beträgt E = σ ɛ 0 = ɛ 0 A (4.23) wobei A die Plattenfläche angibt. Die elektrische Feldstärke ist unabhängig vom Abstand der Platten (siehe Seite 7). Da die Platten entgegengesetzt geladen sind (+ und ) ziehen sie sich mit einer Kraft F an. Vergrößern wir den Plattenabstand d um einen Betrag d, dann leisten wir die Arbeit F d. Dieser Arbeit entspricht eine Zunahme der elektrostatischen Feldenergie um 2 ɛ 0E 2 A d. Damit ergibt sich für die Kraft zwischen beiden Platten F = 2 ɛ 0E 2 A = 2 E (4.24) wobei wir E = /(ɛ 0 A) verwendet haben. Der Faktor /2 gegenüber dem Ausdruck (2.9) ist folgendermaßen einzusehen: Ausserhalb der Kondensatorplatten ist das elektrische Feld gleich Null. Die Feldstärke fällt also über die endliche Dicke der Ladungsschicht auf der Kondensatorplatte auf Null ab, sodass auf die Ladungen im Mittel nur das Feld E/2 wirkt. Sicherheitsaspekte Die Gefährlichkeit eines Stromschlages ist durch die Größe des Stromes bestimmt. Kleine Ströme (< 5 ma) spürt man als unangenehm, sie führen aber zu keinem dauerhaften Schaden. Ströme > 50 ma führen zu Schäden, da sie Nervensignale übertreffen und Muskeln (Herz) einfrieren lassen. Trifft dies für mehrere Sekunden zu, kann dies zum Tod führen. Der typische Innenwiderstand des menschlichen Körpers liegt im Bereich von einigen 00 Ω. Damit ist die Spannungsgrenze für gefährliche Stromschläge im Bereich von U = I R = = 5 V olt! Das bedeutet, dass im Prinzip eine Autobatterie für einen tödlichen Stromschlag ausreicht. Auf Grund des hohen Widerstandes trockener Haut ( 20kΩ) liegt aber die gefährliche Grenze erheblich höher. Aus diesem Grund überlebt man typisch den Stromschlag aus dem Netz (es sei denn, man sitzt in der Badewanne). Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Leistung der Stromquelle. Eine kv Überlandleitung kann problemlos über längere Zeit große Ströme abführen und ist damit tödlich. Ein VandeGraff Generator schafft mehrere 00 kv, kann aber nur Strom für sehr kurze Zeit liefern. Dasselbe gilt für eine TeslaSpule die mehrere 0 6 V liefert, aber im Normalfall keine großen Ströme. Beim Gehen auf einem isolierten Teppich kann sich der Körper auf mehrere Tausend Volt aufladen und mit einem entsprechenden Blitz (z.b. bei Berührung mit einem geerdeten Stiegengeländer) entladen, ohne dass großer Schaden entsteht.