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Kondensator als Energiespeicher 08:59 min

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Transkript Kondensator als Energiespeicher

Hallo. Willkommen zu diesem Video. Es gibt verschiedenste Energiespeicher. Mechanische Energiespeicher, wie dieser Stausee, chemische Energie kann in Batterien gespeichert werden, solche Latent- Wärmespeicher dienen der Speicherung thermischer Energie. Kann aber auch elektrische Energie gespeichert werden?Vielleicht nicht solch große Energiemengen, wie sie bei einem Blitz vorkommen. Im Kleinen dient aber ein Kondensator als Energiespeicher. In diesem Video lernst du den Kondensator als Bauelement zur Energiespeicherung kennen.Wir werden uns dann den Kondensator im Gleichstromkreis anschauen. Danach geht es um die Kapazität eines Kondensators. Zum Schluss betrachten wir dann noch einige Bauformen von Kondensatoren.Wie speichert also ein Kondensator Energie?Ein Kondensator: das können zwei Platten aus Metall sein, die parallel zueinander aufgestellt werden. Die zwei Platten nennt man Elektroden. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Dielektrikum. Das Dielektrikum ist ein Stoff, der elektrisch isolierend wirkt. also bis zu einem bestimmten Maß verhindert, dass Ladungen von der einen Platte zur anderen gelangen.Luft kann zum Beispiel ein Dielektrikum sein. Legt man eine elektrische Spannung an den Plattenkondensator an, dann lädt er sich folgendermaßen auf:Die Elektronen fließen vom Minuspol zum Pluspol. Die Elektrode, an der die Elektronen ankommen, hier in blau, lädt sich dann negativ auf. Die Elektrode, an der die Elektronen abfließen, in Rot, wird dadurch positiv.Zwischen den beiden Elektroden entsteht eine elektrische Spannung und ein homogenes elektrisches Feld. Homogen heißt, dass die elektrische Feldstärke überall gleich groß ist.Je nach Größe der Platten und der angelegten Spannung kann der Kondensator. irgendwann keine weiteren Elektronen mehr aufnehmen. Er ist dann vollgeladen.Der Kondensator hat nun elektrische Energie gespeichert. Das kannst du dir vorstellen wie beim Stausee. Wenn die Sperre gelöst wird, kann das gelagerte Wasser, wenn es durch die Turbine rauscht, Arbeit verrichten. Die mechanische Energie wird dann in elektrische Energie umgewandelt. Getrennte Ladungen können wie ein Stausee auch Arbeit verrichten.Zum Beispiel, wenn wir nach dem Aufladen die Spannungsquelle durch eine Glühlampe austauschen. Die Elektronen fließen von der negativen Elektrode durch die Glühlampe zur positiven Elektrode. In der Glühlampe wird die gespeicherte elektrische Energie in Licht und Wärmeenergie umgewandelt. Die Speicherung elektrischer Energie erfolgt also durch Trennung von Ladungen.Betrachten wir nun den Kondensator als Bauteil im Gleichstromkreis. Zwei parallele Striche stellen das Schaltzeichen des Kondensators dar.Mit einem Schalter kann man zwischen einem Stromkreis mit Spannungsquelle - dem Ladestromkreis - und einem Stromkreis ohne Spannungsquelle - dem Verbraucherstromkreis - umgeschaltet werden. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, wird noch ein Widerstand als Verbraucher eingebaut. Wir messen jetzt die Stromstärke im Stromkreis und die Spannung über den Kondensator und tragen sie über die Zeit in Diagrammen auf. Ist der Schalter nach links gekippt, lädt sich der Kondensator auf. Das ist der Ladevorgang. Die Spannung am Kondensator steigt also, bis der Kondensator voll geladen ist. Dann bleibt die Spannung konstant. Solange der Kondensator lädt, fließt der elektrische Strom noch. Die Stromstärke wird aber immer geringer. Ist der Kondensator voll, kommt der Strom zum Erliegen. Jetzt legen wir den Schalter um und betrachten den Entladevorgang. Der Kondensator entlädt sich und demnach sinkt auch die Spannung am Kondensator, bis alle Ladungen abgeflossen sind und die Spannung auf 0 V gesunken ist. Wenn der Schalter umgelegt wird, stellt sich wieder ein elektrischer Strom ein, allerdings jetzt in die andere Richtung. Das stelle ich hier im Diagramm mit einer negativen Stromstärke dar. Die Stromstärke nimmt mit sinkender Spannung ab, bis sie auf 0 A gesunken ist. So sehen also prinzipiell die elektrischen Spannungs- und Stromverläufe im Lade- und Entladevorgang beim Kondensator aus.Je nach Kondensator können aber verschiedene Mengen an Ladung und Energie gespeichert werden.Die Kapazität ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators. Die Größe der Kapazität sagt etwas über die Menge der Ladung aus, die bei einer bestimmten Spannung auf einem Kondensator gespeichert werden kann. Beispielsweise kann ein Kondensator mit größeren Elektroden und einem kleinen Abstand zwischen den Elektroden mehr Ladungen und damit Energie speichern als ein Kondensator mit kleinen Elektroden und einem großen Plattenabstand.Der Kapazität hat man das Formelzeichen groß C gegeben. Die Einheit der Kapazität ist das Farad (F), benannt nach dem englischen Physiker und Chemiker Michael Faraday. Typische Kondensatoren haben Kapazitäten im Bereich von einigen Pikofarad bis wenigen Mikrofarad.Aber wie passen jetzt zwei große Metallplatten in nur einige Millimeter bis Zentimeter große Kondensatoren, wie du sie hier siehst? Es gibt neben dem Plattenkondensator, den du gerade kennengelernt hast, auch andere Bauformen von Kondensatoren.Kondensatoren können auch zylinderförmig oder als Kugel gebaut werden. In Folien- oder Wickelkondensatoren werden Metallfolien, zum Beispiel aus Aluminium, mit einer Kunststofffolie als Dielektrikum einfach aufgewickelt. So lassen sich sehr kleine Kondensatoren für elektrische Geräte herstellen.Fassen wir nochmal kurz zusammen:Kondensatoren speichern elektrische Energie. Im Ladestromkreis gilt: Legt man eine elektrische Spannung an einen Kondensator an, lädt er sich durch die Ladungstrennung auf. Die getrennten Ladungen können dann in einen Verbraucherstromkreis fließen und so zum Beispiel eine Glühlampe zum Leuchten bringen. Die Kapazität ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators. Ihr Formelzeichen ist groß C, ihre Einheit das Farad. Elektrische Energie kann also dank der Kondensatoren genauso wie mechanische, chemische oder thermische Energie gespeichert werden.Vielen Dank für das Zuschauen. Tschüss.

2 Kommentare
  1. Dieses Video ist wirklich SUPER gemacht und meine Freunde aus meiner Klasse fanden es - ober GUT - Danke und bitte weiter solche Videos - ich habe eine 2 geschrieben zum Thema Kondensatoren - nur durch dieses Viedeo - Ohne zu pauken - Liebe Grüße

    Von Sop1968, vor 5 Monaten
  2. Hallo
    könnten Sie bitte ein Video über die Verzögerungsschaltung und Darlingtonschaltung machen?
    Danke
    Grüße

    Von Andreas Hirschner, vor mehr als 4 Jahren

Kondensator als Energiespeicher Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Kondensator als Energiespeicher kannst du es wiederholen und üben.

  • Benenne den Aufbau eines Kondensators.

    Tipps

    Leitfähige Anschlüsse und elektrisch nicht-leitendes Isolationsmittel.

    Lösung

    Die beiden senkrechten Linien stellen die beiden Elektroden dar, z.B. Platten eines Plattenkondensators in Seitenansicht, die gefärbte Fläche in der Mitte das sogenannte Dielektrikum, ein nichtleitendes, isolierendes Material, das den Ladungsausgleich bei aufgeladenem Kondensator verhindert.

  • Nenne eine technische Bauform für Kondensatoren.

    Tipps

    Große Kapazität ist mit großen Elektrodenflächen erreichbar.

    Große Elektrodenflächen brauchen viel Platz.

    Lösung

    Man kann größere Kapazität bei Kondensatoren sehr leicht durch Vergrößerung der Elektrodenflächen erreichen. Aber große Elektroden brauchen viel Platz, was in den kompakten elektrischen und elektronischen Anlagen und Systemen technisch ungünstig ist. Man kann aber die Elektroden als Elektrodenbänder konstruieren, zwischen die das Dielektrikum ebenfalls als schmales Band gelegt wird, und das entstehende dreilagige Band einfach aufwickeln. So kann man große Elektroden in einem Gehäuse mit relativ kleinen Abmessungen unterbringen.

  • Erläutere, was die Aufladung eines Kondensators verändert.

    Tipps

    Negativer Pol einer Spannungsquelle: Quelle von Elektronen.

    Positiver Pol einer Spannungsquelle: Senke für Elektronen.

    Getrennte ungleichnamige Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld zwischen sich.

    Lösung

    Eine Spannungsquelle liefert an ihrem negativen Pol Elektronen, deren gerichtete Bewegung dann den elektrischen Strom bildet, wenn man einen Stromkreis zwischen dem negativen und dem positiven Pol der Quelle schließt. Dieser Kreis kann im einfachsten Fall schon durch einen Kondensator geschlossen werden. Die Spannungsquelle treibt dann gewissermaßen Elektronen auf eine der Elektroden und zieht von der anderen ebenso viele ab. Die beiden Elektroden sind danach ungleichnamig geladen und es bildet sich zwischen ihnen ein elektrisches Feld aus. Geladene Teilchen können dann in diesem Feld durch die Kraftwirkung dieses Feldes in Bewegung geraten, d. h., das Feld kann Arbeit verrichten.

  • Erkläre, warum sich beim Aufladen des Kondensators die besondere Verlaufskurve der Spannung ergibt.

    Tipps

    Beim Aufladen wird ein elektrisches Feld aufgebaut.

    Mit zunehmender Ladung wird das Feld stärker.

    In einem stärkeren Feld werden Ladungsträger stärker beschleunigt (auch: negativ beschleunigt=gebremst).

    Lösung

    Die beim Aufladen nach und nach kumulierte Ladung erzeugt ein elektrisches Feld, dessen Kraftwirkung den Zufluss weiterer Ladungen mehr und mehr behindert. Der von der Spannungsquelle angetriebene Strom muss also mit wachsender Ladung einen wachsenden Widerstand überwinden: Die Bewegung der Ladungsträger wird langsamer, so dass in gleichen Zeitabschnitten immer weniger Ladungsmenge übertragen wird, und so die Spannung von Zeitabschnitt zu Zeitabschnitt langsamer steigt.

  • Erkläre, warum der Kondensator Energie speichert.

    Tipps

    Das Verständnis von Energie als die „Fähigkeit, Arbeit zu verrichten", regt dazu an zu untersuchen, wie der Kondensator „Arbeit verrichten" kann.

    Die Berechnung von mechanischer Arbeit $W=\overrightarrow{F}\cdot\overrightarrow{s}$ z. B. deutet auf eine Größe, die im elektrischen Feld vorkommt.

    Die Kraft des Feldes verrichtet Arbeit an geladenen Körpern/Teilchen.

    Lösung

    Das Aufladen eines Kondensators bedeutet räumliche Trennung von Ladungen. Räumlich getrennte Ladungen üben eine Kraft aufeinander aus, die den Raum als Feld durchsetzt, als einen Bereich, in dem die Kraft wirkt. Jeder geladene Körper erfährt in diesem Feld eine Kraftwirkung. Mechanische Arbeit ist bestimmt als die Summe der Kraftwirkungen entlang aller Punkte eines Weges. Bei konstanter Kraft $\overrightarrow{F}$ gilt für die Arbeit $W=\overrightarrow{F} \cdot \overrightarrow{s}$ (mit Weg $\overrightarrow{s}$). So wird an einem geladenen Körper im Feld des Kondensators Arbeit verrichtet. Dass das Feld auch über die Leitungen wirkt, die an den Elektroden angeschlossen sind, ist dabei wichtig für das Verständnis: Die Elektronen, die durch die Leiter getrieben werden, werden vom Feld des Kondensators getrieben. (Die Energie des Kondensators stammt also aus der Ladungstrennung, für die zuvor selbstverständlich Arbeit aufgewendet worden war.)

  • Schätze die Abhängigkeit der Kapazität eines Plattenkondensators von Plattengröße und Plattenabstand qualitativ ab.

    Tipps

    Direkte Proportionalität: Wenn der Wert der abhängigen Variablen mit dem Wert der unabhängigen steigt und fällt.

    Lösung

    Wird die Kapazität $C$ mit der Fläche der Elektroden $A$ größer (oder kleiner), dann liegt direkte Proportionalität vor: $C \sim A$. Wird die Kapazität bei sonst gleichbleibenden Eigenschaften kleiner, wenn der Abstand $d$ größer wird (und umgekehrt), dann liegt indirekte Proportionalität zwischen diesen beiden Größen vor: $C \sim \frac{1}{d}$. Man kann beide Beziehungen zusammenfassen: $C \sim A\cdot\frac{1}{d}$ oder $C \sim \frac{A}{d}$.