Ladungsfähigkeit und Energieinhalt eines Kondensators.
Aufgabe
An einen Kondensator wird eine Spannungsquelle angeschlossen. D.h. die Spannung ist in diesem System einstellbar.
Untersuchen Sie mit der nachstehenden Simulation das Verhalten dieses Systems. Gehen Sie insbesondere auf folgende Fragen ein:
Wie verändert sich die Ladung bei Änderung des Plattenabstandes?
Wie wirkt sich das auf die gespeicherte Energie aus? Warum ist das kein Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz?
Bei einigen Veränderungen fließt ein Strom. Finden sie diese und erläutern Sie die Ursachen.
Eine der Definitionen des elektrischen Feldes ist E = U/d
Schalten Sie die Darstellung des elektrischen Feldes ein und verändern Sie die Parameter Spannung, Flächeninhalt und Abstand. Schildern Sie ihre Beobachtungen und erläutern Sie diese.
Wird ein Dielektrikum zwischen die Platten gebracht, so entsteht in diesem ein Gegenfeld, das dem äußeren Feld entgegengerichtet ist.
Verändern Sie εr und beobachten Sie die Auswirkungen auf das elektrische Feld und die gespeicherte Energie. Erläutern Sie die Vorgänge
Aufgabe Rechnen mit der Kapazität
Gegeben ist ein Kondensator mit der Kapazität 5E-6 F. An ihm wird eine Spannung von 6V angelegt.
Zwischen den Schichten des Kondensators liegt eine Oxidschicht mit der Dicke 260nm und einer Permeabilität von 430.
a) Berechnen Sie die Oberfläche der Kondensatorplatten.
b) Welche Ladung und welche Energie wurde auf dem Kondensator gespeichert?
c) Welche Spannung wäre nötig, um eine Ladung von 60nC bzw. eine Energie von 4nJ zu speichern?
In speziellen Kondensatoren - den sog. Goldcaps - ist es möglich, wesentlich größere Ladungsmengen und Energien zu speichern. Sie werden z.B. bei nachleuchtenden Fahrradrücklichtern eingesetzt. Sie werden durch besondere Oberflächenstrukturen erzeugt.
d) Welche Kapazität ist nötig, um bei einer Spannung von 12V eine Energie von 1J zu speichern?
e) Welche Oberfläche hat dann der Kondensator? Der Abstand und die Permeabilität seien wie oben.
