Grundlagen der Elektrizität: Kondensatoren und Stromarten

Kondensatoren: Speicherung elektrischer Energie

Ein Kondensator ist ein Gerät zur Speicherung elektrischer Energie.

Kapazität und ihre Einflussfaktoren

Die Kapazität ist eine Eigenschaft, die mit jedem Kondensator verbunden ist. Sie misst die Speicherkapazität der elektrischen Ladung, wenn eine Potentialdifferenz an seinen Anschlüssen angelegt wird.

Die Kapazität hängt von mehreren Faktoren ab:

• Der Abstand zwischen den Leitern (Platten).
• Die Größe der Leiter.
• Die Spannung zwischen den Leitern.
• Das Dielektrikum (Isoliermaterial) zwischen den Platten.

Das Dielektrikum und seine Wirkung

Das Dielektrikum ist das Isoliermaterial, das zwischen die Platten des Kondensators gelegt wird.

Die Auswirkungen eines Dielektrikums in einem Kondensator sind:

1. Erhöhung der Kapazität.
2. Verbesserung der mechanischen Festigkeit der physikalischen Struktur des Kondensators.
3. Verringerung der Spannung zwischen den Platten des Kondensators und damit eine Verminderung des elektrischen Feldes.

Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit)

Die Spannungsfestigkeit ist die maximale Spannung, die an den Kondensator angelegt werden kann, ohne dass es zu einem elektrischen Durchschlag kommt.

Die Energie wird in den Platten eines Kondensators gespeichert. Das Berühren der Platten kann zu einer Entladung durch unseren Körper führen.

Schaltung von Kondensatoren

Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung sind die Platten der Kondensatoren wie folgt verbunden: Alle ersten Platten sind mit dem Pluspol der Batterie verbunden, während alle zweiten Platten mit dem Minuspol verbunden sind.

Die Gesamtladung von zwei oder mehr Kondensatoren teilt sich auf, sodass die Gesamtladung die Summe der Einzelladungen ist. Die Spannung ist bei jedem Kondensator gleich.

Reihenschaltung (Serienschaltung)

Bei der Reihenschaltung werden die Kondensatoren nacheinander verbunden. Die Ladung ist für jeden beteiligten Kondensator gleich. Die angelegte Gesamtspannung teilt sich auf: V = V1 + V2 + ...

Polarisation des Dielektrikums

Wenn ein Dielektrikum mit zufällig orientierten polaren Molekülen zwischen die Platten eines Kondensators gebracht wird, an dem ein elektrisches Feld anliegt, neigen die Moleküle dazu, sich in Richtung des Feldes auszurichten. Das Dielektrikum wird dadurch polarisiert. Im Inneren entsteht ein elektrisches Feld von geringerer Intensität, das dem äußeren Feld entgegengerichtet ist.

Elektrischer Strom und seine Wirkungen

Elektrischer Strom ist definiert als ein Fluss von elektrischen Ladungen.

Wirkungen des elektrischen Stroms

• Lichtwirkung: Tritt auf, wenn Strom durch ein leitendes Element fließt, was zu einer erhöhten Temperatur führt, die wiederum sichtbares Licht erzeugt (z. B. Glühlampen).
• Wärmewirkung: Elektrische Ladungen, die durch einen Leiter fließen, erzeugen erhebliche Wärme. Dies wird in Geräten wie Toastern, Bügeleisen oder Heizungen genutzt.
• Chemische Wirkung: Die Zerlegung von Elektrolytlösungen (z. B. in Batterien) oder Metallbeschichtungen (wie Verchromung) sind wichtige Anwendungen der chemischen Wirkung des elektrischen Stroms.
• Magnetische Wirkung: Jede Bewegung elektrischer Ladung hat zugehörige magnetische Effekte. Eine wichtige Anwendung ist der Elektromagnet, der zum Heben schwerer Metallgegenstände verwendet wird.
• Dynamische Wirkung: Die Wechselwirkung des elektrischen Stroms mit einem Magnetfeld führt zu mechanischen Bewegungen (z. B. in Elektromotoren).

Quellen der elektrischen Energie (Stromquellen)

• Thermoelektrizität: Strom kann durch die Nutzung großer Wärmemengen gewonnen werden, beispielsweise in Dampfkraftwerken.
• Piezoelektrizität: Einige nichtleitende Materialien haben die Fähigkeit, eine Spannung zwischen ihren Oberflächen zu erzeugen, wenn eine mechanische Beanspruchung angewendet wird (z. B. in Kristallen oder Mikrofonen).
• Photoeffekt: Bezieht sich auf die Emission von Elektronen aus einer Metalloberfläche infolge eines einfallenden Lichtstrahls (z. B. Solarzellen).
• Chemische Wirkung (Batterien): Batterien sind Geräte, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln.
• Magnetische Wirkung (Induktion): Wenn ein geschlossener Stromkreis mit einem sich bewegenden Magnetfeld wechselwirkt, ist es möglich, einen elektrischen Strom zu erzeugen (z. B. Generatoren).

Driftgeschwindigkeit

Die Driftgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen innerhalb eines Leiters in Abwesenheit eines elektrischen Potenzials beliebig bewegen.

Arten des elektrischen Stroms

Konstantstrom (Gleichstrom)

Der Strom ist konstant, wenn das elektrische Feld homogen ist und seine Größe und Richtung innerhalb des Leiters konstant bleiben.

Variabler Strom

Variabler Strom wird durch ein elektrisches Feld erzeugt, das sich mit der Zeit ändert.

Wechselstrom (AC)

Beim Wechselstrom wird die Richtung des elektrischen Feldes in regelmäßigen Zeitabständen umgekehrt.