Physik Forum

[verwegen_]

Hallo, ich schreibe morgen eine Klausur und habe eine Übungsarbeit bekommen. Da habe ich noch einige offene Fragen, und zwar:

1) Es ist ein Plattenkondensator gegeben, Abstand d=5 cm, angelegte Spannung U=3000 Volt.
Die elektrische Feldkraft Fq habe ich berechnet, sie beträgt bei mir Fq=2,4 * 10^-4 N
Die Frage lautet: Würde man im gesamten Plattenraum die gleiche Feldkraft auf diese Ladung messen? (wie kann man das erklären??)

2) Ein Kondensator wird an einer variablen Gleichspannungsquelle aufgeladen, bei verschiedenen Spannungen wird jeweils die Ladung gemessen.
Die Frage: Weshalb muss die Quelle beim Laden Arbeit verrichten?


3) Bei einem Plattenkondensator ist Folgendes gegeben: Plattenfläche A=100cm², Abstand d=0,01 m. Er ist mit einer Spannungsquelle verbunden. Die anliegende Spannung beträgt U=500V.
Frage: Wie könnte man die Kapazität des Kondensators erhöhen? (A und d sind konstant).
(Meine Theorie dazu lautet: da C=Q/U könnte man vielleicht die Spannung oder die Ladung erhöhen, und dadurch würde sich auch die Kapazität erhöhen ...?)

eine weitere Frage hierzu: Der Kondensator wird von der Quelle bei U=500V getrennt und d wird verdoppelt.
Wie ändert sich die Kapazität? (Meine Theorie: sie verdoppelt sich, weil:
C~1/d) ??
Wie ändert sich die Flächenladungsdichte Sigma? (Meine Theorie: sie bleibt konstant, wegen Sigma ~ E und E ist auch konstant ...)?


Vielen, vielen Dank schonmal im Voraus !!!

[qwe1]

[qwe1]

[Gast]

Die Kapazität lässt sich unabhängig vom Kondensator verändern, wenn du ein Dielektrikum zweischen den Kondensatorplatten einfügst.
C=exA/d mit e= Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums.

hier wirds ein bischen erklärt http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0205141.htm

[GvC]

Zu 1.
Was meinst Du mit der elektrischen Feldkraft, die Du berechnet haben willst? Hast Du da nicht vergessen, uns mitzuteilen, wo (oder auf wen oder was) diese Kraft wirken soll? In Deiner Frage beziehst Du Dich auf diese Ladung. Welche? Du hast von einer Ladung nichts erwähnt. Ich würde Dir gerne helfen, aber so geht das nicht.

Zu 2.
Die Quelle verrichtet Arbeit, weil bei einer bestimmten Spannung, der Quellenspannung, ein Strom über eine gewisse Zeit so lange fließt bis der Kondensator aufgeladen ist. Die elektrische Arbeit (Energie) ist
W = integr(U*i dt)
mit U = const. (konstante Quellenspannung) wird daraus
W = U*integr(i dt)
Du kannst die Tatsache, dass die Quelle Arbeit verrichtet, auch anders erklären: Der Kondensator ist ein Energiespeicher. Die in ihm gespeicherte Energie ist Wel = C*U²/2. Vor dem Ladevorgang ist die Spannung am Kondensator Null, also auch die gespeicherte Energie Null. Nach dem Ladevorgang ist die o.g. Energie in ihm gespeichert. Irgendwoher muss die Energie gekommen sein. Die einzige Möglichkeit ist die Spannungsquelle als Quelle der Energie. Interessant ist dabei, dass die im Kondensator gespeicherte Energie gerade halb so groß ist wie die Energie (Arbeit), die die Quelle abgegeben hat. Erklärung: Während der Kondensatorladung werden Ladungsträger durch die Quelle von der einen Kondensatorplatte zur anderen "gepumpt". Bewegte Ladung bedeutet Stromfluss in den Zuleitungen zum Kondensator. Der Strom verursacht in den (widerstandsbehafteten) Zuleitungen Verluste. Die sind gerade halb so groß wie die von der Quelle verrichtete (Pump-)Arbeit. Die andere Hälfte ist, wie gesagt, im Kondensator gespeichert.

Zu 3.
Vergiss den ganzen Quatsch, der hier geschrieben wurde, z.B. dass die Kapazität sich durch die Spannung oder die Ladung verändern ließe. Im Gegenteil: Die Kapazität ist eine von Spannung und Ladung unabhängige Größe. Wenn man an einem bestimmten Kondensator die Spannung verdoppelt, verdoppelt sich auch die Ladung, wenn man die Spannung halbiert, wird auch nur noch die halbe Ladungsmenge auf den Platten gespeichert usw. Aufgrund dieser Proportionalität hat man das Ladungsspeicherungsvermögen als Kapazität C = Q/U definiert. Die Kapazität ist also eine reine Bauteileigenschaft und nur von der Geometrie und der Materialeigenschaft abhängig (genauso wie beispielsweise auch der Widerstand eines Leiters nur von der Geometrie, d.h. Länge und Querschnittsfläche, und der Leitfähigkeit des Leitermaterials abhängt). Für die Kpazität eines Plattenkondensators gilt die Bestimmungsgleichung

C = eps0*epsr*A/d

mit eps0, epsr absolute und relative Permittivität (früher Dielektizitätskonstante), d Plattenabstand und A Plattenfläche. Wenn laut Aufgabenstellung d und A konstant bleiben sollen, lässt sich, wie von Gast bereits gesagt wurde, die Kapazität nur dadurch erhöhen, dass man die Luft zwischen den Kondensatorplatten durch ein (nichtleitendes) Material mit höherem epsr ersetzt.
Zur weiteren Frage: Du hast doch selbst schon erkannt, dass C~1/d. Wieso sollte sich denn die Kapazität verdoppeln, wenn der Abstand d verdoppelt wird, d steht doch im Nenner! Also die Kapazität wird halbiert. Was die Konstanz der Flächenladungsdichte angeht, brauchst Du nicht den Umweg über die Feldstärke zu nehmen. Die Flächenladungsdichte ist doch Q/A. Die Plattenfläche A bleibt unverändert, und die Ladung Q bleibt ebenfalls unverändert. Wo soll sie denn auch hin, der Kondensator wurde doch von der Spannungsquelle getrennt. (Damit bleibt natürlich auch E konstant, denn E = sigma/eps.)