Grundlegende physikalische Fragen zum Kondensator

E-Janni · Gast

Meine Frage:
Hallo, ich habe ein paar Verständnisfragen zum Plattenkondensator.

1. Wie kommt es überhaupt dazu, dass sich ein Kondensator, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist, auflädt? Eigentlich stellt er ja eine Unterbrechung im Stromkreis dar.

2. Erhalte ich im Grunde schon einen Kondensator, wenn ich nur zwei leitende Kabel, die jeweils mit dem Plus- bzw. Minuspol derselben Spannungsquelle verbunden sind, aneinanderhalte?

3. Hat ein Kondensator von sich aus nicht einen ohmschen Widerstand? Ich meine nicht den frequenzabhängigen Blindwiderstand, sondern einen tatsächlichen, der von den Platten herrührt. Dieser würde doch den Strom verringern und damit den Aufladevorgang verzögern, richtig?

4. Warum verlaufen Auf- und Entladevorgang nicht linear?

5. Im Einschaltmoment hat der Kondensator ja den Widerstand R=0 (Kurzschluss), ist er vollgeladen, hat er einen unendlich hohen Widerstand (Leerlauf). Inwiefern ist dieser Widerstand real? Oder ist er nur eine Veranschaulichung dessen, was mit dem Stromfluss über die Zeit geschieht?

6. Was passiert genau bei einem Kondensator, wenn ich den Abstand der Platten verändere und er
a) noch mit der Spannungsquelle verbunden ist?
b) von der Spannungsquelle getrennt ist?

7. Weshalb gilt

im Plattenkondensator?

8. Wieso ist die Energie im Kondensator beschrieben durch

im Gegensatz zu

am Widerstand oder im E-Feld?

9. Ist zumindest theoretisch ein Kondensator denkbar, dessen Kapazität so klein ist, dass er nicht bis zur Quellenspannung aufgeladen werden kann?

Meine Ideen:
1. Schalte ich die Quelle an, habe ich ja eine Potentialdifferenz an den Polen, die sich in den Leitern bis zu den Platten "fortpflanzt". Ich würde fast schon sagen, dass es dann ja zu einem elektrischen Feld kommen müsste, aber da noch keine Ladungen transportiert wurden, kann das ja nicht sein. Oder gibt es doch ein anfängliches E-Feld, das den Aufladevorgang in Bewegung setzt? Ich glaube, dass der Abstand und die Fläche was damit zu tun haben.

2. Falls ja, wären nicht unbedingt Abstand und Fläche von Bedeutung, sondern deren Verhältnis. Sollte es aber Quatsch sein, verstehe ich nicht, warum es bei großen Platten funktioniert, die sind doch eigentlich auch schon voll mit Elektronen und brauchen keine mehr.

3. Mit der Formel

kann ich mir das ziemlich gut vorstellen. Natürlich sollte ein Kondensator idealerweise keinen ohmschen Widerstand haben, oder ist er in der Wirklichkeit zu vernachlässigen wie die Leiter-Widerstand?
Wahrscheinlich sind die Platten an sich vollkommen ohne Bedeutung und nur die Dielektrika zwischen ihnen spielen eine Rolle.

4. Beim Aufladevorgang kann ich es mir vorstellen, ich denke, dass die abstoßende Kraft der Ladungen auf den Platten den nachkommenden Ladungen die Bewegung erschweren, vielleicht kann man da aber noch weiter mit der Energie oder der Spannung argumentieren? Ich stelle mir das vor wie bei einer Feder, bei der es auch immer schwerer wird, je mehr man sie zusammendrückt. Beim Entladen bin ich allerdings ratlos.

6. Ich weiß, dass

gilt und

gilt, also die Kapazität verändert wird, aber es gilt ja auch

, aber die Spannung ändert sich ja nicht in beiden Fällen, woraus ich schließe, dass sich die Ladung verändern müsste, aber die bleibt doch erhalten?
Diese Frage habe ich schon öfter gefunden, aber die Antworten habe ich nie ganz nachvollziehen können oder es wurde einfach nur gesagt, dass es so ist. Mich interessiert aber, was physikalisch dahintersteckt!

7. So wie ich es verstanden habe, betrachtet man zuerst zwei unendlich ausgedehnte Platten. Die tangentialen Komponenten der radialsymmetrischen Felder heben sich hier auf und das E-Feld ist überall konstant.
In einem Plattenkondensator, also einem Ausschnitt dieser Modellvorstellung, heben sich die tangentialen Komponenten doch nur in der Mitte genau auf, je weiter ich zum Rand gehe, werden die tangentialen Komponenten doch wieder größer. Aber wahrscheinlich ist dieser Effekt bei kleinen Abmessungen zu vernachlässigen.

8. Ganz einfach ausgedrückt stelle ich mir das so vor, dass man betragsmäßig nur die halbe Ladung zählt, nämlich die auf einer Platte, weil die Ladung auf beiden Platten gleich Null ist. Falls dem so ist, müsste man für unterschiedlich geladene Platten einen anderen Weg gehen, oder?

9. Ich glaube, hier merke ich selber, dass ich nicht so ganz verstehe, was mir die Kapazität eigentlich genau sagt. Aus einschlägigen Quellen weiß ich, dass sie nur von der Geometrie abhängt und mir den Zusammenhang zwischen Ladung und Spannung angibt. Aber kann ein Kondensator mit großer Kapazität mehr Spannung oder Ladung aufnehmen?

Virus01 · Anmeldungsdatum: 07.01.2010 Beiträge: 106

1. Vereinfacht: Wenn man den Kondensator an eine Spannungquelle anschließt, zieht ja der Pluspol der Spannungsquelle negative Elektronen an, der Minuspol stößt die Elektronen ab. (Stromfluss) An der einen Platte entsteht ein Elektronenüberschuss, an der anderen ein Elektronenmangel --> E-Feld

2. Ja das stimmt, müssen halt getrennt voneinander sein. Zum Beispiel bilden die Hochspannungs-Freileitungen draußen im freien auch immer eine Kapazität zur Erde aus.
(Ganz wichtig für die Energieversorger)

3. Das stimmt und zwar ist das der ESR (equivalent series resistance) Widerstand eines Kondensators

4. Dazu müsste man jetzt die Differentialgleichung der Schaltung aufstellen und lösen. Dabei enthält die Lösung der DFG eine e-Funktion -->nichtlinear

5. Das ist eher eine Veranschaulichung und die Wirkung des Kondensators in einem Stromkreis.

6. U bleibt konstant: Bsp. Man vergrößert den Abstand, dadurch verkleinert sich die Kapazität. Aus Q=C*U kann sich dadurch nur die Ladungsmenge ändern! Das el. Feld wird Ebenfalls schwächer.
U getrennt: das heißt die Ladungen bleiben auf den Platten. Vergrößere z.B den Abstand, dann verkleinert sich die Kapazität. Nach Q=C*U muss U dafür größer werden. El. Feldstärke bleibt dabei konstant.