Plattenkondensator – Kapazität

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir befinden uns immer noch im Gebiet "Elektrizität und Magnetismus" und wollen uns heute noch ein zweites Video zum Plattenkondensator, diesmal mit dem Thema "Die Kapazität" ansehen. Wir lernen heute: was die Kapazität eines Plattenkondensators ist, wie man sie berechnen kann und zum Schluss noch kurz, was es denn so für verschiedene Bauformen von Kondensatoren gibt und wofür man die Dinger eigentlich einsetzen kann. Na, dann fangen wir mal an. Was ist sie denn nun, die Kapazität? Einfach gesagt: Die Kapazität C eines Plattenkondensators ist eine Konstante, die uns angibt, eine wie große Ladung [Q] dieser Kondensator bei einer bestimmten angelegten Spannung U speichern kann. Anders ausgedrückt: Je größer die Kapazität eines Kondensators ist, desto mehr Ladung und damit auch Energie kann dieser Kondensator speichern. Am schnellsten lässt sich dieser Zusammenhang wahrscheinlich erkennen, wenn man sich die dazugehörigen Formeln ansieht. Die von einem Kondensator gespeicherte Ladung Q lässt sich errechnen aus der Kapazität C × der angelegten Spannung U [Q=C×U]. Die von einem Kondensator gespeicherte elektrische Energie W, wir benutzen hier W für die Energie, damit wir nicht mit dem E für die Feldstärke durcheinander kommen, ist ½×C×U². Dann wollen wir uns doch als Nächstes Mal ansehen, wie man nun dieses rätselhafte C berechnen kann. Wenn ich die Formel von gerade eben umforme, ergibt sich: Die Kapazität ist gespeicherte Ladung Q durch angelegte Spannung U [C=Q/U]. Daraus folgt, ihre Einheit ist Coulomb pro Volt [C/V] oder anders gesagt 1 Farad [F], denn das ist die Einheit der Kapazität, benannt nach Michael Faraday. Ein Farad ist übrigens eine ziemlich große Einheit. Die meisten Kondensatoren haben nur eine Kapazität zwischen einem milliardstel und einem millionstel Farad. Aber nun zurück zu unserem Plattenkondensator. Dessen Kapazität lässt sich zum Glück leicht berechnen, sie hängt nämlich sehr stark davon ab, wie unser Plattenkondensator aufgebaut ist, genauer gesagt, von der Fläche A seiner Platten und deren Abstand d. Die genaue Formel für die Kapazität ist: C=Ε×(A/d). Das Ε steht dabei für die Permittivität des verwendeten Dielektrikums. Wenn ihr dazu mehr wissen wollt, seht euch bitte das Video "Das Dielektrikum und seine Permittivität" an. So, zum Schluss wollen wir noch einen Blick auf verschiedene andere Arten von Kondensatoren werfen. Der Kondensator ist eines der wichtigsten und ältesten Bauelemente der Elektrotechnik und seine Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. So besteht zum Beispiel der Arbeitsspeicher eures Computers aus Millionen winziger Kondensatoren, die im geladenen Zustand eine 1 symbolisieren und im ungeladenen Zustand eine 0, sodass mit ihrer Hilfe Informationen gespeichert werden. Man kann zum Beispiel aber auch viele Kondensatoren mit relativ hoher Kapazität zusammenschließen, um mit ihrer Hilfe eine mächtige Kondensatorbatterie zu schaffen, die eine riesige Menge Energie in einer sehr kurzen Zeit abgeben kann. Alles begann mit der sogenannten Leidener Flasche. Stellt euch einfach eine Flasche vor, die außen und innen mit einer Metallfolie verkleidet ist, ähnlich einem Plattenkondensator. Damit wurde vor ca. 200, 300 Jahren im großen Stile experimentiert. Natürlich hat sich dabei auch im Laufe der Jahre einiges getan. Neben dem Plattenkondensator wurden auch andere einfache geometrische Bauformen ausprobiert, wie zum Beispiel der Kugelkondensator oder, hier im Bild, der Zylinderkondensator. Um mit den Anforderungen der Elektrotechnik Schritt halten zu können, mussten Kondensatoren natürlich immer kleiner werden, um in die immer kleiner werdenden Geräte zu passen, und außerdem am besten auch noch eine höhere Kapazität haben. So kam man zum Beispiel auch dazu, den hier im Bild zu sehenden Vielschichtkondensator zu bauen. Also ein Kondensator, der abwechselnd immer wieder positiv und negativ geladene Flächen übereinanderstapelt, getrennt durch ein Dielektrikum. Dadurch wird eine viel höhere Kapazität erreicht. Für Radiogeräte zum Beispiel brauchte man sogenannte Varkos, also variable Kondensatoren. Das Prinzip seht ihr hier im Bild. Der Rotor kann gedreht werden, um die Fläche, die er mit dem Stator gemein hat, zu variieren. Dadurch kann die Kapazität des Kondensators frei eingestellt werden. So ein variabler Kondensator kann zum Beispiel so aussehen. Eine weitere wichtige Erfindung war zum Beispiel der sogenannte Elektrolytkondensator, der erstmals eine Kapazität von ungefähr 1 Farad auf kleinstem Raum ermöglichte. Mit moderner Kristallwachstums- und Ätztechnik ist es übrigens auch möglich, Kondensatoranordnungen im Nanometerbereich zu bauen, wie ihr auf diesem Bild sehen könnt. Damit kann auf sehr kleinem Platz eine riesige Menge an Informationen gespeichert werden. Ihr seht also, Kondensatoren gibt es in allen möglichen Qualitäts- und Größenstufen und vor allem Bauformen, mehr jedenfalls, als ich hier auf die Schnelle aufzählen kann. Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Die Kapazität C eines Kondensators gibt an, wie viel Ladung Q bei einer angelegten Spannung U in ihm gespeichert werden kann. Q und U sind verknüpft durch die relativ einfache Formel Q=C×U. Die Kapazität eines Plattenkondensators hängt von der Fläche seiner Platten A, ihrem Abstand d sowie der Permittivität des verwendeten Dielektrikums zwischen den Platten ab. Die Formel für die Kapazität ist: C=Ε×(A/d). Der Kondensator ist eins der wichtigsten Bauelemente der Elektrotechnik und hat viele verschiedene Einsatzmöglichkeiten. Die Kapazität der unterschiedlichen Kondensatortypen kann sich dabei stark unterscheiden. Sie hängt von der Bauform und den verwendeten Materialien ab. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis bald, euer Kalle!