Grundlagen der Elektrotechnik: Kondensatoren, Magnetismus & Gesetze

Kondensatoren: Funktion, Betrieb und Typen

Funktion eines Kondensators

Wenn ein Kondensator geladen wird, sammeln sich negative Ladungen (Elektronen) auf einer Platte und positive Ladungen (Ionen) auf der anderen. Nach dem Ladevorgang hält die Spannung durch elektrostatische Anziehung an.

In Gleichstromkreisen (DC) wird der Kondensator geladen und öffnet den Stromkreis. In elektronischen Wechselstromkreisen (AC) wird er zum Filtern von Signalen verwendet. Durch das Laden und Entladen in jeder Halbwelle entstehen Verzögerungen in der Spannungs- und Stromwelle, was zur Korrektur des Leistungsfaktors (PF) genutzt wird.

Betriebsspannung und Durchschlagsfestigkeit

Die Betriebsspannung ist die maximale Spannung, die der Kondensator ohne Beschädigung des Dielektrikums aushält.

Die Durchschlagsfestigkeit ist die maximale Spannung, die das Dielektrikum aushält, bevor es zerstört wird.

Kondensatortypen

Es gibt verschiedene Arten von Kondensatoren:

• Kunststoffkondensatoren: Werden häufig verwendet, Kapazitäten von 1 nF bis zu mehreren 1000 µF.
• Keramikkondensatoren: Kapazitäten von einigen pF bis 100 nF. Unterstützen in der Regel nur Niederspannung.
• Elektrolytkondensatoren: Besitzen eine Polarität und bieten eine hohe Kapazität auf kleinem Raum (von 1 µF bis zu Zehntausenden von µF). Sie sind nur für Gleichstrom (DC) geeignet und bestehen meist aus Aluminium und Blei.

Magnetismus und Elektromagnetismus

Magnete und ihre Eigenschaften

Magnete sind Materialien, die magnetische Objekte (wie Nickel und Kobalt) anziehen.

Ferromagnetische Materialien

Materialien, die stark von Magneten angezogen werden.

Anwendungen von Magneten

• Materialtrennung
• Dynamos
• Lautsprecher
• Mikrofone

Die Bereiche stärkster Anziehung werden Pole genannt (Nord- und Südpol).

Der Kompass

Eine Magnetnadel, die sich frei um ihre zentrale Achse drehen kann und sich nach Norden und Süden ausrichtet, um das Magnetfeld zu überprüfen.

Magnettypen

• Natürliche Magnete: (z. B. Magnetit)
• Künstliche Magnete: (Materialien, die magnetisiert wurden)
• Dauerhafte Magnete: Behalten ihre magnetischen Eigenschaften über lange Zeit bei.
• Temporäre Magnete: Behalten ihre magnetischen Eigenschaften nur bei, solange sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind.

Magnetische Eigenschaften können durch Temperatur und mechanische Einwirkungen verändert werden.

Magnetische Feldlinien

Linien gleicher Intensität des Magnetfeldes. Sie existieren nicht im herkömmlichen Sinne, sondern dienen der Veranschaulichung.

Elektromagnetismus

Ein Magnetfeld wird durch einen elektrischen Strom erzeugt. Je näher man dem Leiter kommt, desto höher ist die Dichte der magnetischen Feldlinien.

In einer einzelnen Schleife (Spira) sind die Kraftlinien in der Mitte konzentriert. In einer Spule sind die Kraftlinien im Zentrum der Spule konzentriert.

Magnetische Größen und Gesetze

Magnetischer Fluss (Φ)

Entspricht der magnetischen Induktion (B) multipliziert mit der Fläche (S). Die Einheit ist Weber (Wb).

Magnetische Induktion (B)

Die Anzahl der Kraftlinien pro Flächeneinheit. Die Einheit ist Tesla (T).

Durchflutung (Magnetomotorische Kraft, F)

Die Fähigkeit einer Spule, Feldlinien zu erzeugen. F = N * I (Windungszahl * Stromstärke). Sie wird als magnetomotorische Kraft bezeichnet, da sie direkt mit der Stärke und den Linien des Magnetfeldes zusammenhängt.

Magnetische Feldstärke (H)

H = (N * I) / L. Die Einheit ist Ampere pro Meter (A/m).

Hopkinsonsches Gesetz

Fluss (Φ) = Durchflutung (F) / Reluktanz (R).

Magnetisierungskurve

Sie beschreibt die Beziehung zwischen der magnetischen Induktion (B) einer Substanz und der Wirkung eines Magnetfeldes (H).

Ein magnetisches Material ist gesättigt, wenn seine Induktion (B) nur noch sehr wenig im Verhältnis zum Wachstum der Feldstärke (H) zunimmt.

Magnetische Permeabilität

Die Eigenschaft ferromagnetischer Materialien, die Dichte der magnetischen Feldlinien im Vergleich zur magnetischen Feldstärke um ein Vielfaches zu erhöhen.

Hysterese

Nachdem ein ferromagnetisches Material der Wirkung eines Magnetfeldes ausgesetzt war und dieses Feld verschwindet, zeigt das Material immer noch eine Remanenz (Restmagnetismus).

Dieser Magnetismusverlust wird als Wärme freigesetzt, was bei Motoren und Transformatoren auftritt.

1 Praktische Anwendungen von Elektromagneten

• Magnetbremsen
• Magnetventile
• Summer
• Relais
• Schütze