Elektrizität verstehen: Feld, Potenzial und Kondensatoren

Elektrisches Feld (CE)

Das elektrische Feld (CE) ist der Raum um eine elektrische Ladung, in dem elektrische Kräfte wirken.

Definition des elektrischen Feldes

Ein elektrisches Feld wird definiert, wenn eine positive Probeladung eine Kraft erfährt.

Intensität des elektrischen Feldes

Die Intensität des elektrischen Feldes (E) an einem Punkt wird definiert als die Kraft, die auf eine positive elektrische Probeladung an diesem Punkt wirkt.

Elektrische Feldlinien

Elektrische Feldlinien repräsentieren die gedachten Linien des elektrischen Feldes, die sich in jedem Punkt manifestieren.

Arbeit und Potenzielle Energie

Arbeit (T) im elektrischen Feld

Die Arbeit (T) ist gleich der Differenz der potenziellen Energie (Epe) zwischen dem End- und Anfangszustand: T = Epe (final) - Epe (initial). Dies entspricht der Erhöhung der potenziellen Energie des Systems.

Elektrisches Potenzial (V)

Das elektrische Potenzial (V) an einem Punkt im elektrischen Feld (CE) ist definiert als die potenzielle Energie pro Einheit positiver elektrischer Ladung. Die Einheit des Potenzials ist Volt (V), wobei PE = J / C (Joule pro Coulomb).

Potenzialdifferenz und Ladungsverteilung

Potenzialdifferenz (Spannung)

Die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten eines elektrischen Feldes ist gleich der Arbeit (T), die zum Transport einer elektrischen Ladung von einem Punkt zum anderen erforderlich ist, dividiert durch den Wert dieser Ladung.

Ladungsverteilung in isolierten Leitern

In einem isolierten leitfähigen Körper verteilt sich die elektrische Ladung immer auf der Oberfläche, aber ihre Intensität variiert je nach Form des Körpers.

Oberflächenladungsdichte

Die Oberflächenladungsdichte ist die Menge der elektrischen Ladung, die eine leitende Oberfläche pro Quadratzentimeter (cm²) besitzt.

Spitzenwirkung und Elektrischer Wind

Bei einem isolierten Körper, der eine scharfe Spitze besitzt, akkumulieren sich die Ladungen hauptsächlich an dieser Spitze. Aufgrund der hohen Konzentration von Ladungen an der Spitze wird die umgebende Luft stark beeinflusst.

Als Ergebnis werden Gasmoleküle ionisiert und von der elektrisch geladenen Spitze mit dem gleichen Vorzeichen abgestoßen, was zum sogenannten Elektrischen Wind führt.

Kapazität und Kondensatoren

Elektrische Kapazität

Die elektrische Kapazität (C) eines Leiters ist die Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern. Sie wird definiert als die Ladungsmenge (Q), die ein Leiter aufnehmen kann, um sein Potenzial um ein Volt zu erhöhen.

Was ist ein Kondensator?

Ein Kondensator ist ein Bauteil, das elektrische Ladungen speichern und bei Bedarf wieder abgeben kann.

Speicherkapazität eines Kondensators

Die Speicherkapazität eines Kondensators hängt von der Fläche der Platten (S), dem Abstand zwischen ihnen (d) und der Natur des Dielektrikums ab. Sie wird ausgedrückt durch die Formel: C = ε * S / d, wobei ε die Permittivität des Dielektrikums ist.

Typen von Kondensatoren

Kondensatoren können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden:

• Nach der äußeren Form:
  • Flach
  • Zylindrisch
  • Sphärisch
  • Linsenförmig
• Nach ihren Einstellmöglichkeiten:
  • Festkondensatoren: Die Kapazität ist fest eingestellt und kann nicht geändert werden.
  • Variable Kondensatoren: Die Kapazität kann über eine mechanische Steuerung einfach eingestellt werden.
  • Trimmerkondensatoren (einstellbare Kondensatoren): Ähnlich den variablen Kondensatoren, aber für eine einmalige oder seltene Einstellung vorgesehen, die nach der Justierung in der Regel nicht mehr geändert wird.
• Nach Dielektrikum:
  • Luftkondensatoren
  • Elektrolytkondensatoren
  • Festdielektrikum-Kondensatoren

Spezifische Kondensatortypen

• Luftkondensatoren: Werden in Rundfunkempfängern zum Einstellen von Sendern verwendet. Sie bestehen aus zwei Sätzen beweglicher Platten, die durch Luft getrennt sind.
• Festdielektrikum-Kondensatoren:
  • Keramikkondensatoren: Verwenden Keramik als Dielektrikum.
  • Kunststoffkondensatoren: Zeichnen sich durch hohe Betriebstemperatur und hohen Isolationswiderstand aus.
  • Glimmerkondensatoren: Charakterisiert durch geringe Verluste, breiten Frequenzbereich und hohe Stabilität bezüglich Temperatur und Zeit.

Elektrolytkondensatoren

Bei Elektrolytkondensatoren ist eine Platte aus Metall, die andere besteht aus einem Ionenleiter (Elektrolyt).

Aufbau eines Aluminium-Elektrolytkondensators

Ein Aluminium-Elektrolytkondensator besteht aus zwei Aluminiumstreifen. Einer davon ist isoliert und mit einer Oxidschicht bedeckt, dazwischen befindet sich ein mit Elektrolyt getränktes Papier. Der isolierte Streifen (mit Oxidschicht) dient als Anode, der flüssige Elektrolyt und der zweite Streifen dienen als Kathode. Diese Anordnung wird auf sich selbst gewickelt, mit zwei Anschlussstiften versehen und in einen Aluminiumzylinder eingesetzt.