Kondensator mit Dielektrikum | Wie es funktioniert

Kondensatoren mit einem Dielektrikum

Kondensatoren sind grundlegende Bauelemente in elektronischen Schaltungen, die elektrische Ladung speichern können. Sie bestehen typischerweise aus zwei leitenden Objekten – meist Platten oder Folien –, die nahe beieinander, aber ohne Berührung angeordnet sind. Das wesentliche Element eines Kondensators ist das Dielektrikum, ein Isolator zwischen den Metallplatten, wie beispielsweise Polystyrol, Öl oder Luft.

Die Kapazität eines Kondensators hängt nur von der Größe, Form und relativen Position der beiden Leiter sowie vom Material des Dielektrikums ab. Ein einfacher Kondensator besteht aus zwei parallelen Platten mit der Fläche A, die durch einen kleinen Abstand d getrennt sind. Oft werden die Platten zu einem Zylinder gerollt, wobei ein Kunststoff-, Papier- oder anderes Isoliermaterial die Platten trennt.

Arten von Kondensatoren

Kondensatoren lassen sich in drei Hauptgruppen unterteilen:

• Festkondensatoren: Ihr Wert ist während des Herstellungsprozesses festgelegt und kann später nicht verändert werden. Sie werden weiter in elektrolytische und nicht-elektrolytische Kondensatoren unterteilt.
• Polarisierte Kondensatoren: Diese haben spezifische positive und negative Polaritäten und müssen in Schaltkreisen in der richtigen Polarität angeschlossen werden.
• Variable Kondensatoren: Ihre Kapazität ist verstellbar, entweder als Trimmer, die nur während der Kalibrierung des Schaltkreises angepasst werden, oder als Gerät, das während des Betriebs eines elektronischen Instruments einstellbar ist.

Kondensator mit einem Dielektrikum

Die Verwendung eines Dielektrikums in Kondensatoren erfüllt drei Funktionen:

1. Mechanische Trennung: Das Dielektrikum löst das mechanische Problem, zwei große Metallplatten in sehr geringem Abstand ohne tatsächlichen Kontakt zu halten.
2. Elektrische Isolation: Ein Dielektrikum erhöht die maximale mögliche Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorplatten. Bei einem ausreichend großen elektrischen Feld erfährt jedes Isoliermaterial eine partielle Ionisation, die eine Leitung durch das Material ermöglicht. Dies wird als dielektrischer Durchbruch bezeichnet. Die Dielektrikumsfestigkeit von Luft beträgt beispielsweise etwa 3 kV/mm. Viele Dielektrika können stärkere elektrische Felder aushalten, ohne einen Durchbruch zu erleiden.
3. Verminderung des elektrischen Feldes: Experimentell wurde festgestellt, dass die Kapazität C zunimmt, wenn der Raum zwischen den Leitern mit einem Dielektrikum gefüllt ist. Die Polarisation des Dielektrikums durch das angelegte elektrische Feld erhöht die Oberflächenladung des Kondensators bei gegebener Feldstärke. Die Anwendung eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Platten induziert eine entgegengesetzte Ladung auf dem 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.

Beispielsweise erhöht sich die Kapazität eines Kondensators, wenn ein Dielektrikum den Raum zwischen den Platten vollständig ausfüllt, nach der Formel C = κ_eC₀, wobei κ_e die Dielektrizitätskonstante ist. Alle Dielektrikumsmaterialien weisen ein κ_e > 1 auf. Jedes Dielektrikum hat zudem eine charakteristische Dielektrikumsfestigkeit, den maximalen Wert des elek