Kondensator, Energie und Auf-/Entladung
Der Smartphone-Blitz, das Kameralicht oder der Defibrillator im Rettungswagen: Sie alle geben Energie in Sekundenbruchteilen ab, die vorher langsam gespeichert wurde. Ein Bauteil, das genau das kann, ist der Kondensator. Wie viel Ladung und Energie passt hinein, und wie schnell füllt oder leert er sich? Das klären wir in diesem Abschnitt der Physik – und am Ende lösen wir die Frage vom Anfang.
Kapazität und Plattenkondensator
Zwei isolierte Metallplatten liegen sich gegenüber. Legt man eine Spannung $U$ an, fließt Ladung $+Q$ auf die eine und $-Q$ auf die andere Platte. Je mehr Ladung pro Volt aufgenommen wird, desto „größer" ist der Kondensator.
Typische Werte liegen bei $\mu\text{F}$ ($10^{-6}\ \text{F}$), nF und pF. Beim Plattenkondensator hängt $C$ nur von der Geometrie und vom Material zwischen den Platten ab:
Warum so? Größere Fläche bietet mehr Platz für Ladung ($C \sim A$). Ein kleiner Abstand lässt das Feld $E = U/d$ bei gleicher Spannung stärker werden, also kann mehr Ladung gehalten werden ($C \sim 1/d$). Ein Dielektrikum schwächt das Feld im Inneren ab, daher passt bei gleicher Spannung $\varepsilon_r$-mal so viel Ladung auf die Platten.
Ein Plattenkondensator hat die Plattenfläche $A = 200\ \text{cm}^2$ und den Plattenabstand $d = 0,50\ \text{mm}$. Zwischen den Platten befindet sich Luft (…
Ein Plattenkondensator hat die Plattenfläche $A = 200\ \text{cm}^2$ und den Plattenabstand $d = 0,50\ \text{mm}$. Zwischen den Platten befindet sich Luft ($\varepsilon_r \approx 1$). Es gilt $\varepsilon_0 = 8,85\cdot 10^{-12}\ \text{As/(Vm)}$.
- a) Berechnen Sie die Kapazität $C = \varepsilon_0\varepsilon_r \dfrac{A}{d}$.
- b) Berechnen Sie die Ladung des Kondensators bei einer Spannung von $U = 100\ \text{V}$.
Ein Kondensator mit $C = 470\ \mu\text{F}$ wird auf $U = 12\ \text{V}$ aufgeladen. a) Berechnen Sie die gespeicherte Ladung. b) Berechnen Sie die gespeicherte Energie…
Ein Kondensator mit $C = 470\ \mu\text{F}$ wird auf $U = 12\ \text{V}$ aufgeladen.
- a) Berechnen Sie die gespeicherte Ladung.
- b) Berechnen Sie die gespeicherte Energie $E = \tfrac12 C U^2$.
Energie und Dielektrikum
Beim Laden muss die Quelle Ladung gegen die schon vorhandene Spannung transportieren. Im $Q$-$U$-Diagramm liegt wegen $U = Q/C$ eine Ursprungsgerade vor. Die Energie für ein kleines Ladungsstück $\Delta Q$ ist $U\cdot\Delta Q$, also ein schmaler Streifen unter der Geraden. Alle Streifen zusammen ergeben ein Dreieck:
Die Quelle liefert beim Laden $Q\cdot U$, im Kondensator stecken nur $\tfrac12 QU$. Die andere Hälfte wird im Widerstand der Zuleitung in Wärme umgewandelt.
Dielektrikum
Schiebt man ein Dielektrikum in einen von der Quelle getrennten Kondensator, bleibt $Q$ konstant. $C$ wird $\varepsilon_r$-mal größer, daher sinkt $U = Q/C$ um den Faktor $\varepsilon_r$ und die Energie $E = Q^2/(2C)$ ebenfalls. Die Platte wird in den Kondensator hineingezogen; die Energiedifferenz ist die dabei verrichtete mechanische Arbeit. Bleibt die Quelle angeschlossen, ist dagegen $U$ konstant und $Q$ wächst.
Kondensator als Energiespeicher
Die nutzbare Energie eines Kondensators hängt von der Spannung ab: Entlädt man ihn von $U_1$ auf $U_2$, gilt $E_\text{nutz} = \tfrac12 C\,(U_1^2 - U_2^2)$. Ein Gerät, das nur oberhalb einer Mindestspannung arbeitet, nutzt also nicht die ganze gespeicherte Energie.
Vergleich mit einem Akku: Ein Akku mit $1{,}0\ \text{Ah}$ bei $3{,}7\ \text{V}$ speichert $E = U\cdot I\cdot t = 3{,}7\ \text{V}\cdot 3600\ \text{As} \approx 13\,000\ \text{J}$, also mehr als das Tausendfache. Vorteile von Kondensatoren: sehr hohe Leistung, schnelles Laden, viele Ladezyklen. Nachteile: geringe Energiedichte, die Spannung sinkt beim Entladen stark ab, Selbstentladung.
Ein Plattenkondensator ($A = 100\ \text{cm}^2$, $d = 1,0\ \text{mm}$) wird bei $U = 200\ \text{V}$ aufgeladen und anschließend von der Spannungsquelle getrennt. Danach…
Ein Plattenkondensator ($A = 100\ \text{cm}^2$, $d = 1,0\ \text{mm}$) wird bei $U = 200\ \text{V}$ aufgeladen und anschließend von der Spannungsquelle getrennt. Danach wird eine Kunststoffplatte mit $\varepsilon_r = 4,0$ zwischen die Platten geschoben, die den Zwischenraum vollständig ausfüllt.
- a) Berechnen Sie Kapazität und Ladung vor dem Einschieben.
- b) Berechnen Sie Kapazität und Spannung nach dem Einschieben.
- c) Berechnen Sie die gespeicherte Energie vor und nach dem Einschieben und deuten Sie die Änderung.
Ein Kondensator mit $C = 2,0\ \text{F}$ (Superkondensator) soll in einem Modellfahrzeug als Energiespeicher dienen. Er wird auf $U = 5,0\ \text{V}$ geladen. Das Fahrzeug…
Ein Kondensator mit $C = 2,0\ \text{F}$ (Superkondensator) soll in einem Modellfahrzeug als Energiespeicher dienen. Er wird auf $U = 5,0\ \text{V}$ geladen. Das Fahrzeug benötigt im Mittel eine Leistung von $2,0\ \text{W}$ und arbeitet nur, solange die Kondensatorspannung mindestens $2,5\ \text{V}$ beträgt.
- a) Berechnen Sie die nutzbare Energie.
- b) Berechnen Sie die Betriebsdauer bei konstanter Leistung.
- c) Vergleichen Sie diesen Speicher mit einem Akku von $2,0\ \text{Ah}$ bei $3,7\ \text{V}$ und beurteilen Sie Vor- und Nachteile von Kondensatoren als Energiespeicher.
Ein Kondensator wird mit konstanter Stromstärke $I = 50\ \mu\text{A}$ geladen. Die Spannung wächst dabei in $40\ \text{s}$ von $0$ auf $10\ \text{V}$. a) Zeichnen Sie…
Ein Kondensator wird mit konstanter Stromstärke $I = 50\ \mu\text{A}$ geladen. Die Spannung wächst dabei in $40\ \text{s}$ von $0$ auf $10\ \text{V}$.
- a) Zeichnen Sie gedanklich das $Q$-$U$-Diagramm und beschreiben Sie dessen Verlauf.
- b) Bestimmen Sie die Kapazität.
- c) Zeigen Sie, dass die Fläche unter der Kurve im $Q$-$U$-Diagramm der gespeicherten Energie entspricht, und berechnen Sie diese.
- d) Die Quelle hat bei der Ladung die Energie $Q\cdot U$ abgegeben. Erklären Sie die Differenz zur gespeicherten Energie.
Entladen über einen Widerstand
Ein geladener Kondensator wird über $R$ entladen. Zu Beginn ist die Spannung groß, also auch der Strom $I = U/R$. Mit abnehmender Ladung sinkt $U$ und damit $I$: Die Entladung wird immer langsamer. Die Änderungsrate der Ladung ist proportional zur Ladung selbst – das führt auf eine e-Funktion.
Aus Messwerten finden Sie $\tau$ so: Der Quotient aufeinanderfolgender Werte in gleichen Zeitabständen ist konstant. Oder: $\ln(U/U_0) = -t/\tau$ ist eine Gerade mit Steigung $-1/\tau$.
Ein Kondensator mit $C = 2,2\ \mu\text{F}$ wird über einen Widerstand $R = 100\ \text{k}\Omega$ entladen. a) Berechnen Sie die Zeitkonstante $\tau = R\,C$. b) Geben Sie…
Ein Kondensator mit $C = 2,2\ \mu\text{F}$ wird über einen Widerstand $R = 100\ \text{k}\Omega$ entladen.
- a) Berechnen Sie die Zeitkonstante $\tau = R\,C$.
- b) Geben Sie an, auf welchen Bruchteil die Spannung nach der Zeit $t=\tau$ gesunken ist, wenn $U(t)=U_0\,e^{-t/\tau}$ gilt.
Beim Entladen eines Kondensators über einen Widerstand wird die Stromstärke in Abhängigkeit von der Zeit gemessen: | $t$ in s | 0 | 10 | 20 | 30 | |---|---|---|---|---|…
Beim Entladen eines Kondensators über einen Widerstand wird die Stromstärke in Abhängigkeit von der Zeit gemessen:
| $t$ in s | 0 | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|---|
| $I$ in mA | 4,00 | 2,43 | 1,47 | 0,89 |
Die Anfangsspannung betrug $U_0 = 8,0\ \text{V}$.
- a) Bestimmen Sie den Widerstand $R$.
- b) Bestimmen Sie aus den Daten die Zeitkonstante $\tau$ und die Kapazität $C$.
- c) Berechnen Sie die anfänglich gespeicherte Energie.
Ein Kondensator ($C = 100\ \mu\text{F}$) ist auf $U_0 = 6,0\ \text{V}$ geladen und wird über einen Widerstand $R$ entladen. Nach $t = 2,0\ \text{s}$ beträgt die Spannung…
Ein Kondensator ($C = 100\ \mu\text{F}$) ist auf $U_0 = 6,0\ \text{V}$ geladen und wird über einen Widerstand $R$ entladen. Nach $t = 2,0\ \text{s}$ beträgt die Spannung $2,2\ \text{V}$.
- a) Bestimmen Sie die Zeitkonstante und den Widerstand $R$.
- b) Berechnen Sie, nach welcher Zeit die Energie im Kondensator auf die Hälfte gesunken ist.
- c) Zeigen Sie, dass die insgesamt im Widerstand umgesetzte Energie der anfänglich gespeicherten Energie entspricht, und erläutern Sie dies kurz.
Aufladen über einen Widerstand
Beim Aufladen an einer Gleichspannung $U_0$ über $R$ ist der Kondensator zunächst leer: Die ganze Spannung liegt am Widerstand, der Strom ist maximal. Mit wachsender Kondensatorspannung sinkt $U_R = U_0 - U_C$ und damit der Strom.
Nach $\tau$ hat der Kondensator rund 63 % von $U_0$ erreicht, nach $5\tau$ ist er praktisch voll.
Ein Kondensator ($C = 1.000\ \mu\text{F}$) wird über einen Widerstand $R = 10\ \text{k}\Omega$ an einer Gleichspannung $U_0 = 9,0\ \text{V}$ aufgeladen. Es gilt…
Ein Kondensator ($C = 1.000\ \mu\text{F}$) wird über einen Widerstand $R = 10\ \text{k}\Omega$ an einer Gleichspannung $U_0 = 9,0\ \text{V}$ aufgeladen. Es gilt $U_C(t)=U_0\left(1-e^{-t/\tau}\right)$.
- a) Berechnen Sie die Zeitkonstante.
- b) Berechnen Sie die Kondensatorspannung nach $t = 15\ \text{s}$.
- c) Berechnen Sie die Stromstärke zu Beginn und nach $t = 15\ \text{s}$.
Zurück zum Anfang: Der Blitz lädt seinen Kondensator über einen großen Widerstand langsam auf (große Zeitkonstante) und entlädt ihn über die kleine Blitzröhre in Sekundenbruchteilen (kleines $\tau$). Die gespeicherte Energie $\tfrac12 CU^2$ wird so als kurzer, starker Impuls abgegeben.