Berechnung von Kondensatoren
Die Kapazität eines Kondensators lässt sich anhand der folgenden Formel berechnen: C = Q/V, wobei C die Kapazität in Farad (F), Q die auf dem Kondensator gespeicherte Ladung in Coulomb (C) und V die Spannung über dem Kondensator in Volt (V) ist. Alternativ kann die Kapazität mit der Formel C = εA/d berechnet werden, wobei C die Kapazität in Farad (F), ε die Permittivität des Dielektrikums zwischen den Kondensatorplatten (in Farad pro Meter, F/m), A die Fläche der Kondensatorplatten in Quadratmetern (m²) und d der Abstand zwischen den Platten in Metern (m) ist. Diese Formeln gehen davon aus, dass der Kondensator aus parallelen Platten mit einem gleichförmigen elektrischen Feld zwischen ihnen besteht. Kondensatoren in der realen Welt können jedoch andere Geometrien aufweisen oder nicht gleichförmige Dielektrika verwenden, was die Berechnung der Kapazität komplizierter macht. In der Praxis wird die Kapazität eines Kondensators normalerweise vom Hersteller angegeben oder mit spezialisierten Testgeräten gemessen.
Kapazitätsberechnung eines flachen, parallelen Plattenkondensators
Die Kapazität flacher, paralleler Metallplatten mit der Fläche A und dem Abstand d wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: A = C.d/ε0 = 1,1 x 102 m². Dies ist eine recht große Fläche. In der Realität kann der Kondensator jedoch viel kleiner sein. Der Trick besteht darin, zwischen den Platten eine geeignete Substanz anstelle eines Vakuums zu verwenden, damit der Plattenabstand d deutlich verringert werden kann.
Kondensatoren in Reihe und parallel
Kondensatoren können in Reihe oder parallel geschaltet werden. Die äquivalente Kapazität für die Reihenschaltung ist theoretisch gegeben durch: Bei der Reihenschaltung von Kondensatoren entspricht der Kehrwert der äquivalenten Kapazität der Summe der Kehrwerte der Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren. Bei der Parallelschaltung von Kondensatoren ist die äquivalente Kapazität gleich der Summe der Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren.
Energiespeicherung in Kondensatoren
Kondensatoren können elektrische Energie speichern. Viele der wichtigsten Anwendungen von Kondensatoren hängen von ihrer Fähigkeit ab, Energie zu speichern. Die elektrische potenzielle Energie, die in einem geladenen Kondensator gespeichert ist, entspricht der Menge an Arbeit, die erforderlich ist, um ihn zu laden – das heißt, entgegengesetzte Ladungen zu trennen und auf unterschiedlichen Leitern zu platzieren. Beim Entladen des Kondensators wird diese gespeicherte Energie als von elektrischen Kräften geleistete Arbeit zurückgewonnen.
Typische Werte
Ein Farad an Kapazität ist eine relativ große Einheit der Kapazität und wird in den meisten elektronischen Schaltungen nicht häufig gefunden. Ein Kondensator mit einer Kapazität von einem Farad kann pro Volt Potentialdifferenz zwischen seinen Platten eine Coulomb (C) Ladung speichern. Submultipla des Farads, wie das Mikrofarad und das Pikofarad, sind in der Praxis bequemere Einheiten. Ein typischer kleiner Keramikkondensator, der in der Elektronik verwendet wird, könnte eine Kapazität von etwa 0,1 Mikrofarads (µF) haben, was ein Zehnmillionstel eines Farads ist. Ein typischer Elektrolytkondensator, der in Stromversorgungsschaltungen verwendet wird, könnte eine Kapazität von einigen hundert oder tausend Mikrofarads (µF) haben, was immer noch viele Größenordnungen kleiner als ein Farad ist. Ein Superkondensator oder Ultrakondensator, eine Art von Hochkapazitätskondensator, der in einigen Energiespeicheranwendungen verwendet wird, könnte eine Kapazität von mehreren Farads oder sogar Zehner Farads haben. Zusammenfassend ist ein Farad an Kapazität eine relativ große Einheit der Kapazität, und Kondensatoren mit Kapazitäten im Farad-Bereich werden typischerweise nur in spezialisierten Anwendungen verwendet. Die meisten elektronischen Schaltungen verwenden Kondensatoren mit Kapazitäten im Mikrofarad- oder Pikofaradbereich.
