Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement, das im Prinzip aus zwei voneinander isolierten, leitenden Flächen besteht, z.B. zwei Metallplatten oder Folien mit einem Isolator (Luft, Kunststoff) dazwischen.
Ladevorgang
Infolge der Unterbrechung kann elektrische Ladung durch einen Kondensator nicht hindurch fließen; wenn man ihn aber an eine Spannungsquelle anschließt, fließt dennoch solange Strom, bis die Platten elektrisch aufgeladen sind und keine weitere Ladung annehmen, dies tritt ein wenn die Kondensatorspannung UC genauso gross wie die angelegte Spannung U0 ist. Die eine Platte ist dann positiv, die andere negativ elektrisch geladen.
Die Ladezeit des Kondensator ist proportional zur Grösse des Vorwiderstandes R und proportional zu seiner Kapazität C. Das Produkt von Vorwiderstand und Kapazität nennt man die Zeitkonstante &tau.
- &tau = R*C
Für die Ladezeit tL gilt:
- tL= 5*&tau
Entladevorgang
Verbindet man die Platten eines geladenen Kondensators über einen Draht oder einen elektrischen Verbraucher (Lampe, Widerstand), so gleichen sich die Ladungen der Platten aus. Es fließt solange Strom, bis beide Platten wieder elektrisch neutral sind.
Kapazität
Das Fassungsvermögen eines solchen Ladungsspeichers hängt von seinen Abmessungen und dem Material ab und wird als Kapazität (Zeichen: C) bezeichnet. Die Maßeinheit ist das Farad. Ein Farad (1 F) ist die Kapazität eines Kondensators, der beim Anlegen einer Spannung U von 1 Volt eine Ladungsmenge Q von 1 Coulomb speichert:
- C = Q / U .
- 1 F = 1 C / 1 V .
Für einen Plattenkondensator (zwei Metallplatten der Fläche A im Abstand d) berechnet man die Kapazität gemäß:
- C = εr * ε0 * A / d .
Darin ist ε0 die elektrische Feldkonstante,
- ε0 = 8,854187817 * 10-12 F/m.
εr ist eine für das Isolationsmaterial spezifische dimensionslose Materialkonstante, die Dielektrizitätszahl oder Permittivitätszahl.
Zahlenwerte (Beispiele):
| Medium | εr |
| Vakuum | 1 |
| Luft | 1,0006 |
| Porzellan | 2,4 - 6,5 |
| Glas | 5 - 16 |
| Wasser (dest.) | 81 |
| Keramik | 100 - 10000 |
Feldenergie
Ein geladener Kondensator speichert Energie in dem elektrischen Feld, das zwischen den geladenen Platten besteht. Ist ein Kondensator der Kapazität C auf die Spannung U geladen, so enthält sein Feld die Energie W gemäß:
- W = C * U2 / 2 .
Wechselstromverhalten
Beim Anschluss an Wechselspannung (Spannung mit periodisch wechselnder Polung) werden die Platten eines Kondensators ständig von positiv nach neagtiv und umgekehrt umgeladen. Dadurch fließt ständig Strom in wechselnder Richtung, jedoch zeitlich versetzt zur Spannung ("Phasenverschiebung"): Es muss zunächst Strom fließen, ehe am Kondensator eine Spannung aufgebaut wird, der Strom ist der Spannung (in der Phase um 90°) voraus.
Durch das gleichzeitige Vorhandensein von Strom und Spannung kann dem Kondensator ein elektrischer Widerstand X zugemessen werden, der jedoch im Gegensatz zu einem Ohm'schen Widerstand keine Leistung in Wärme umsetzt ("Verlustleistung"). Man nennt ihn einen "Blindwiderstand". Wenn f die Frequenz der Wechselspannung und C die Kapazität ist, gilt für den Blindwiderstand:
- X = 1/(2*π*f*C) .
Anwendung
Die Energiespeicherung wird in Stromversorgungsgeräten verwendet, um kurzzeitige Spannungsausfälle zu überbrücken.
Die Frequenzabhängigkeit des Blindwiderstandes dient dazu, Signale unterschiedlicher Frequenz voneinander zu trennen (Hochpass, Tiefpass, Bandpass). Insbesondere kann ein Gleichstromanteil von einem Wechselstromanteil getrennt werden.
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