Grundlagen der Elektrizität: Feld, Potential, Kapazität, Kondensator

Elektrisches Feld

Das elektrische Feld ist der Raum, in dem die Wirkung einer elektrischen Ladung wahrgenommen wird. Geladene Körper erzeugen in ihrer Umgebung einen bestimmten Zustand, der sich von dem unterscheidet, der existieren würde, wenn diese Körper elektrisch neutral wären. Ein elektrisch geladener Körper erfährt im elektrischen Feld eine Kraft, die von dessen Zustand und der Wirkung des elektrisierten Körpers abhängt. Seine Einheit ist Volt pro Meter (V/m) oder Newton pro Coulomb (N/C).

Elektrisches Potential

Das elektrische Potential eines Leiters hängt von seiner elektrischen Ladung und seiner Kapazität ab. Es ist ein Maß für die potentielle Energie pro Ladungseinheit an einem bestimmten Punkt in einem elektrischen Feld. Die Einheit des elektrischen Potentials ist das Volt (V).

Elektrische Kapazität

Die Kapazität eines Leiters ist das konstante Verhältnis zwischen der Ladung und seinem Potential. Die Kapazität hängt von der Größe und Form der Oberfläche des Leiters ab. Die praktische Einheit ist das Farad (F), welches die Kapazität eines Leiters beschreibt, der bei einer Ladung von einem Coulomb ein Potential von einem Volt aufweist.

Der Kondensator

Aufbau und Funktion

Ein Kondensator ist ein Bauteil, das elektrische Ladung und somit Energie speichern kann. Er besteht aus zwei nahe beieinander liegenden Metallleitern (Platten), die durch Vakuum oder, meistens, durch ein isolierendes Material, ein sogenanntes Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Dieses Bauteil ermöglicht es, große Mengen gleicher und entgegengesetzter Ladungen auf den beiden Platten zu speichern, was ein elektrisches Feld zwischen den Platten erzeugt und eine Potentialdifferenz (Spannung) zwischen ihnen herstellt. Die Einführung eines Dielektrikums in den gesamten Raum zwischen den Platten multipliziert die Kapazität um den Faktor, der als relative Dielektrizitätskonstante bezeichnet wird.

Laden und Entladen eines Kondensators

Während des Ladevorgangs fließt ein Ladestrom, und Elektronen nehmen Positionen auf den Platten ein. Der Kondensator speichert eine bestimmte Menge an Elektrizität, die als Energie im elektrischen Feld kondensiert wird. Man sagt, der Kondensator sei geladen, wenn die Potentialdifferenz (Spannung) zwischen seinen Platten gleich der angelegten Spannung ist und zu diesem Zeitpunkt kein Ladestrom mehr fließt. Auch wenn der Ladestrom aufhört und der Kondensator noch mit dem Generator verbunden ist, gibt es keine Bewegung seiner Elektronen und somit keinen elektrischen Strom.

Selbst wenn der Stromkreis geöffnet wird, bleibt der Kondensator geladen, und es besteht weiterhin eine Potentialdifferenz zwischen den Platten. Er kann seine gespeicherte Energie für eine gewisse Zeit halten. Sobald ein geladener Kondensator vom Generator getrennt und seine Platten über einen Leiter verbunden werden, erfolgt der Entladevorgang. Die Elektronen bewegen sich von einer Platte zur anderen aufgrund der im elektrischen Feld vorhandenen Kräfte, die dazu neigen, die Elektronen an ihre ursprünglichen Plätze in ihren Atomen zurückzubringen. Dadurch fließt der Entladestrom (im Gegensatz zum Ladestrom). Ist der Entladevorgang beendet, ist die Potentialdifferenz zwischen den Platten Null, und der Kondensator ist entladen.

Der Kondensator wirkt als Energiespeicher und reagiert auf Spannungsänderungen. Bei Gleichspannung lädt er sich auf und blockiert den weiteren Stromfluss, sobald er voll geladen ist. Bei Wechselspannung lädt und entlädt er sich kontinuierlich, wodurch ein Stromfluss ermöglicht wird, der von der Frequenz der Spannung abhängt.