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Kondensator als Energiespeicher

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Die Autor*innen
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Sandra Haufe
Kondensator als Energiespeicher
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

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.

  • 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 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 $C \sim \frac{A}{d}$.

  • 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.

  • 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.

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