Kapazität
Die Kapazität, symbolisiert durch den Großbuchstaben C, definiert die Fähigkeit, eine elektrische Ladung zu speichern. Sie bildet die Grundlage für das Verständnis und die Nutzung von Kondensatoren. Jeder Kondensator besteht aus zwei Leitern, die durch einen Isolator oder ein Vakuum getrennt sind. Die in einem Kondensator gespeicherte Ladungsmenge entspricht dem Produkt aus seiner Kapazität und der Spannung über dem Kondensator: q = CV, wobei q die Ladung, C die Kapazität und V die Spannung darstellt.
Grundprinzipien der Kapazität
Die Kapazität C, gemessen in Farad (F), ist gleich der Menge an Ladung q, die in einem Gerät oder Kondensator gespeichert werden kann, geteilt durch die Spannung V, die über die Geräte- oder Kondensatorplatten angelegt wird, wenn die Ladung gespeichert ist. Die Kapazität hängt ausschließlich von der Geometrie der Platten, ihrer gegenüberliegenden Fläche, dem Abstand zwischen ihnen und der Permittivität des Dielektrikums zwischen ihnen ab.
Farad – Einheit der Kapazität
Das Farad, die SI-Einheit der Kapazität, ist definiert als Coulomb pro Volt. 1 Farad = 1 F = 1 Coulomb pro Volt = 1 C/V. Aufgrund seiner Größe werden in der Praxis häufig Untergrößen des Farads verwendet, wie das Mikrofarad und das Pikofarad. Die Kapazität flacher, paralleler Metallplatten mit der Fläche A und dem Abstand d wird durch die Formel C = \(\frac{q}{V}\) berechnet, wobei die Permittivität oft durch die relative Permittivität \(\varepsilon_r\) oder \(\kappa\), das Verhältnis der absoluten Permittivität \(\varepsilon\) zur Vakuumpermittivität \(\varepsilon_0\), dargestellt wird: \(\varepsilon_r = \kappa = \frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}\).
Hydraulische Analogie der Kapazität
In einer hydraulischen Analogie entsprechen Kondensatoren einem Tank mit einer Membran, die den Tank längs in zwei Teile teilt. Das Strecken dieser Membran unter Druck ist vergleichbar mit der Ladungsmenge, die auf einem Kondensator abgelegt wird. Diese Dehnung repräsentiert den Spannungsabfall in einem elektrischen Schaltkreis.
Steigerung der Kapazität eines Kondensators
Experimentell wurde festgestellt, dass die Kapazität C zunimmt, wenn der Raum zwischen den Leitern mit Dielektrika gefüllt wird. Die Polarisation des Dielektrikums durch das angelegte elektrische Feld erhöht die Oberflächenladung des Kondensators für die gegebene Feldstärke. Die Anwendung eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Platten induziert eine entgegengesetzte Ladung im Dielektrikum, die dem angelegten elektrischen Feld entgegenwirkt. Das Ergebnis ist, dass das elektrische Feld im Dielektrikum reduziert wird, wodurch der Kondensator mehr Ladung speichern kann. Dielektrika finden viele Anwendungen, ihre bedeutendste Verwendung ist jedoch in Kondensatoren, wo sie als Isoliermaterial zwischen den Platten dienen und drei Funktionen erfüllen: mechanische Trennung, elektrische Isolation und Reduzierung des elektrischen Feldes.
