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Inhalt:
Allgemeines
Grundlagen
Grundsätzlicher Aufbau eines Kondensators
Crashkurs elektrische Felder
Funktionsweise eines Kondensators
Dielektrikum
  Weitere Themen:
Kondensatortypen
Eigenschaften
Anwendung in der Elektronik


Allgemeines

Alter KondensatorElektrische Kondensatoren sind nach den Widerständen die Bauelemente, die am zweithäufigsten in diskreten Schaltungen verwendetet werden. Es handelt sich bei Kondensatoren um sogenannte passive Bauelemente, weil sie keinen verstärkenden Charakter besitzen. Sie werden üblicherweise als Koppelkondensatoren zum Fernhalten von Gleichspannungsanteilen, als Entkoppel- und Stützkondensatoren zum Stabilhalten der Versorgungsspannung, als EMV-Störschutzkondensatoren, als frequenzbestimmendes Bauelement in Oszillatorkreisen, in Frequenzweichen, in Filterschaltungen und für viele weitere Aufgaben eingesetzt. Nachfolgend sowie auf den Folgeseiten können Sie erfahren, wie Kondensatoren aufgebaut sind, wie sie funktionieren, welche Typen es gibt und was Sie beim Einsatz beachten müssen.

Ich habe versucht, die nachfolgenden Erklärungen zu den Grundlagen allgemeinverständlich zu halten. Trotzdem sind sie möglicherweise für völlig unbedarfte Personen "schwere Kost". Beispielsweise kann der Crashkurs über elektrische Felder nur vergessenes Wissen auffrischen oder teilweise vorhandenes Wissen ergänzen. Wer noch nie etwas von elektrischen Feldern gehört hat, dem sei wärmstens empfohlen, sich diese Grundlagen anzueignen, bevor er die Vorgänge in Kondensatoren verstehen will. Andererseits ist es nicht zwingend erforderlich, die Grundlagen exakt zu verstehen, um mit Kondensatoren arbeiten zu können und Schaltungen mit Kondensatoren zu verstehen. Sie können daher ggf. die Grundlagen überspringen und gleich bei  Kondensatortypen,  Kondensatoren im Gleich- und Wechselstromkreis bzw.  Anwendung in der Elektronik weiterlesen.


Grundlagen

Grundsätzlicher Aufbau eines Kondensators

Ein Kondensator besteht prinzipiell lediglich aus zwei Metallplatten, die sich in einem geringem Abstand gegenüberstehen, siehe Bild 1. Auf den ersten Blick stellt ein Kondensator eine Unterbrechung des Stromkreises dar. Dies ist für Gleichstrom auch tatsächlich der Fall, da die Elektronen nicht von einer Platte auf die andere Platte gelangen können; es sei dabei angenommen, daß der Abstand so groß ist, daß kein Funkenüberschlag erfolgen kann.


Bild 1: Prinzipieller Aufbau eines Kondensators

Wenn man einen zweiten, intensiveren Blick riskiert, wird man allerdings scheinbar merkwürdige Dinge beobachten. Zum Verständnis sind Kenntnisse der Elektrostatik notwendig. Daher finden Sie im nachfolgenden Kapitel erst einmal einen kurzen Crashkurs, der Ihnen das notwendige Wissen vermitteln soll, um die Vorgänge in einem Kondensator zu verstehen. Wenn Sie mit elektrischen Feldern vertraut sind, können Sie den Crashkurs natürlich  überspringen.


Crashkurs elektrische Felder

Sie kennen sicher die "spürbare Elektrizität", die entsteht, wenn man z.B. einen Wollpullover anzieht: Er lädt sich durch Reibung der Fasern auf, wobei sich die Fasern nach außen richten. Man kann die Elektrizität förmlich spüren, wenn man mit der Hand in die Nähe fährt, weil sich die winzigen Körperhaare im elektrischen Feld ausrichten. Die wichtige Erkenntnis daraus ist, daß statische Elektrizität offenbar eine Fernwirkung hat, d.h. sie wirkt auf entfernte Gegenstände, ohne daß Strom fließt.

Elektrizität hat bekanntlich etwas mit Elektronen zu tun, d.h. diese Effekte müssen durch sie verursacht sein. Und dies ist in der Tat so: Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen und besitzen alle eine identische Elementarladung von ca. -1,6.10-19 C (C = Maßeinheit für die Ladung, benannt nach dem französischen Physiker Coulomb). Diese Ladung hat ein elektrisches Feld zur Folge. In einem ersten Schritt wollen wir uns ein Elektron anschauen, das ganz alleine auf der Welt ist. Es gibt unendlich viele Feldlinien, die vom Elektron ausgehen, von denen exemplarisch in Bild 2 in Form einer zweidimensionalen Abbildung nur einige wenige dargestellt sind. Man kann sich die Feldlinien als elektrisch geladene Wollfasern vorstellen. Wie bei aufgeladenen Pullover stoßen die feinen Fäden sich gegenseitig ab, so daß sie diametral wie im Bild auseinanderlaufen.


Bild 2: Elektron mit von ihm hervorgerufenem elektrischem Feld

Als Ergänzung grün eingezeichnet sind einige sogenannte Äquipotentiallinien. Dies sind gedachte Linien, die sich ergeben, wenn man jeweils alle Orte mit gleicher Feldstärke miteinander verbindet. Die Darstellung in Bild 2 ist nur zweidimensional, die Feldlinien breiten sich jedoch im dreidimensionalen Raum selbstverständlich ebenfalls dreidimensional aus. Die Äquipotentiallinien sind daher ledigliche eine zweidimensionale Vereinfachung der kugelförmige Äquipotentialschalen. An der kugelförmigen Oberfläche erkennt man, daß sich die Feldlinien im dreidimensionalen Raum völlig symmetrisch ausbreiten.

Bei einem Elektron, d.h. einem negativ geladen Teilchen, starten die Feldlinien in der Unendlichkeit und enden am Elektron, d.h. sie haben eine Richtung, die man mit einem Pfeil kennzeichnen kann, der bei allen Feldlineien zum Elektron hin weist. Bei einem Proton, d.h. einem positiv geladenen Teilchen, ist es umgekehrt: Die Feldlinien beginnen am Proton und enden in der Unendlichkeit, d.h. der Pfeil weist vom Proton weg.

In unserer realen Welt gibt es jedoch deutlich mehr als nur ein einsames Elektron, weshalb die Feldlinien außer in obigem theoretischen Modell nie in der Unendlichkeit enden sondern immer an einer anderen Ladung. In Bild 3 sind daher die Verhältnisse dargestellt, wenn sich in der Nähe eines Elektrons ein positiv geladenes Teilchen mit gleicher Ladungsmenge wie z.B. ein Proton befindet. Wenn die Ladungen gleich groß sind und sich nur durch das Vorzeichen unterscheiden (Proton positiv, Elektron negativ), gehen die Feldlinien von einem Teilchen aus und enden alle beim anderen. Die Richtung der Feldlinien ist im Bild mit Pfeilen angegeben.


Bild 3: Elektrostatische Anziehung

Jedes Teilchen zieht die Feldlinien des Partners an, d.h. "verbiegt" sie so, daß sie auf möglichst kurzem Weg an ihm enden. Dies funktioniert umso besser, je kleiner der Abstand der beiden Teilchen ist. Denn die Feldlinien selbst stoßen sich untereinander wie in Bild 2 ab. Diese abstoßende Kraft wird je nach Abstand zu dem anders geladenen Teilchen mehr oder weniger gut durch dessen anziehende Kraft kompensiert und dadurch mehr oder weniger stark "verbogen". Entlang der Feldlinien selbst herrschen starke anziehende Kräfte wie in einem Gummiband, d.h. Elektron und Proton ziehen sich an. Die Abstoßung zwischen den einzelnen Feldlinien hingegen ist dafür verantwortlich, daß sich zwei Elektronen abstoßen. Dies ist in Bild 4 dargestellt. Die Richtungspfeile wurden aus Gründen der Übersicht weggelassen.


Bild 4: Elektrostatische Abstoßung

Die Feldlinien des einen Elektrons werden durch die Feldlinien des zweiten Elektrons "abgedrängt" (nicht dargestellt sind die weit entfernten, zu beiden Elektronen gehörenden positiv geladenen Teilchen, in denen die Feldlinien beginnen). Die Feldlinien lassen sich nicht ohne weiteres aus ihren ursprünglichen Lage (siehe Bild 2) heraus verbiegen, sondern man muß dazu eine Kraft aufwenden. Um zwei Elektronen einander anzunähern, ist daher ein Kraftaufwand erforderlich, der umso höher ist, je dichter man die beiden Elektronen zusammenbringt. Reduziert man diese äußere Kraft auf Null, d.h. läßt man bildlich gesprochen die beiden Elektronen los, so versuchen die Feldlinien, wieder ihre ursprüngliche symmetrische Form anzunehmen. Die Folge ist, daß die Elektronen von den Feldlinien auseinandergedrückt werden.


Funktionsweise

Nach diesem Exkurs wieder zurück zum Kondensator: Was passiert, wenn man eine Spannung an den Kondensator anlegt? Die Spannungsquelle möchte Elektronen an ihrem positiven Pol "ansaugen" und aus dem Minuspol "mit Druck" hinausschieben. Wenn der Stromkreis einfach nur unterbrochen wäre, wäre dies nicht möglich, weil die Spannungsquelle G (Generator) lediglich als Elektronenpumpe wirkt: Sie kann nur am Minuspol diejenigen Elektronen hinausschieben, die sie am Pluspol "angesaugt" hat. Bei unterbrochenem Stromkreis können daher keine Elektronen fließen. Die Platten des Kondensators haben jedoch eine große Fläche und einen geringen Abstand zueinander, so daß man dort aus den nachfolgend beschriebenen Gründen die pinkfarben dargestellten Elektronen an der Oberfläche "lagern" kann. Die Spannungsquelle G, die die Spannung U0 liefert, befördert dabei Elektronen von der oberen auf die untere Platte.


Bild 5: Laden eines Kondensators

Aufgrund des Elektronenüberschusses lädt sich die untere Platte negativ auf und infolge des Elektronenmangels die obere positiv, da bei Elektronenmangel die positive Ladung der Metallionen (rot dargestellt) übrig bleibt. In beiden Fälle sitzen die Ladungen auf den Platten nur an der Oberfläche, da sich die gleichartigen Ladungen auf je einer Platte stark abstoßen und den größtmöglichen Abstand zueinander einnehmen. Wenn sie könnten, würden sie sich unendlich weit voneinander entfernen, aber als Bewegungsraum steht ihnen nur die Platte zur Verfügung, da sie von einem Isolator (Luft) umgeben ist. Man kann dies mit einem Luftballon vergleichen, der beim Aufblasen theoretisch unendlich groß werden kann. Begrenzt man aber künstlich den Raum, indem man ihn z.B. in einen kleinen Karton steckt, wird sich seine Gummihaut beim Aufblasen an die Kontur des Kartons anpassen, wodurch seine Größe begrenzt ist. Der Karton ist bei den Kondensatorplatten die umgebende Luft, der Innenraum des Kartons entspricht der Metallplatte, und den Luftballon kann man mit den Elektronen bzw. den positiven Ladungsträgern vergleichen.

Zwischen den Platten tritt wegen der Ladungsträger ein elektrisches Feld auf. Im Bild sind in blauer Farbe nur die Feldlinien zwischen den Platten eingezeichnet, aber selbstverständlich gibt es auch Feldlinien von der Rückseite einer Platte auf die Rückseite der anderen Platte. Da das elektrische Feld mit wachsender Entfernung überproportional schwächer wird, spielen diese Feldlinien nur eine untergeordnete Rolle und wurden deshalb auch nicht eingezeichnet.

Wenn man die Spannungsquelle abklemmt, bleiben die Elektronen notgedrungen (sie können ja bei guter Isolation nicht woandershin fließen) auf der Platte. Das von ihnen hervorgerufene elektrische Feld hält dabei die ursprünglich angelegte Spannung aufrecht. Die gespeicherte Ladung kann man entnehmen, indem man die beiden Platten über einen elektrischen Verbraucher verbindet. Als Folge fließen die Elektronen von der negativ geladenen Platte zur positiv geladenen. Die Spannung sinkt dabei stetig. Der Vorgang läuft solange, bis die Spannung Null geworden ist, d.h. bis alle von der positiv geladenen Platte "abgepumpten" Elektronen wieder auf diese zurückgekehrt werden.

Unklar ist aber immer noch, wieso man auf einer Platte zusätzliche Elektronen unterbringen kann, denn Elektronen stoßen sich aufgrund ihrer Ladung stark ab und können nicht ohne extrem hohe Kräfte enger zusammengepackt werden. Auf einer einzigen Platte ist dies auch nicht möglich, aber mit einem Plattenpaar schon. Hier muß man ins Detail schauen. In Bild 6 ist daher ein Ausschnitt aus Bild 3 dargestellt.


Bild 6: Ladungskompensation in einem Kondensator

Positive und negative Ladungen stehen sich in einem kleinen Abstand gegenüber und ziehen sich nebenbei bemerkt gegenseitig an. Was wäre nun, wenn der Abstand infinitesimal klein wäre (also fast Null)? Negative und positive Ladungen würden sich dann fast am gleichen Ort befinden. In diesem Fall würde sich das negative Feld eines Elektrons und und das positive Feld eines Ions vollständig überlagern und die nach außen wirksame Ladung wäre Null - so als ob das Elektron um das positiv geladenen Ion kreisen würde und damit ein nach außen hin elektrisch ungeladenes Atom vorhanden wäre. Wenn sich die negativen Ladungen auf der einen und die positiven Ladungen auf der anderen Platte kompensieren, stoßen sich die Elektronen untereinander auf der unteren Platte nicht ab, weil es keine Ladung gibt, die abstoßende Kräfte hervorrufen könnte. Gleiches gilt für die Ionen auf der oberen Platte. Wenn man Elektronen und Ionen an einem Ort zusammenbringt, kann man beliebig viele Ladungsträger unterbringen, da ein von der oberen Platte entnommenes Elektron auf die untere Platte befördert wird und dadurch automatisch eine positive Ladung auf der oberen Platte zurückbleibt, die die Ladung dieses Elektrons auf der unteren Platte kompensiert. Der Trick ist also, die Ladungsträger zwar getrennt zu halten, aber doch räumlich möglichst dicht zusammenzubringen.

In der Praxis gibt es jedoch keine infinitesimal kleine Abstände. Wenn die Platten einen bestimmten Abstand voneinander besitzen, kompensieren sich die Ladungen der Elektronen und der Ionen nicht vollständig. Das Resultat ist, daß abstoßende Kräfte zwischen den gleichartigen Ladungen auftreten, die die Anzahl der Ladungsträger pro Flächeneinheit begrenzen. Diese Kräfte sind umso größer, je weiter die negativen und positiven Ladungsträger voneinander entfernt sind. Als Folge sinkt (bei gleicher Spannung) die Anzahl der möglichen Ladungsträger pro Flächeneinheit mit wachsendem Abstand. Dies ist anhand von zwei Beispielen in Bild 7 dargestellt:

   
Bild 7: Ladungsdichte bei verschiedenen Elektrodenabständen

Die Anzahl der Elektronen ist nicht nur von der Fläche und dem Abstand der Platten abhängig sondern zusätzlich von der angelegten Spannung. Die Spannung ist nämlich die eigentliche Quelle für das elektrisches Feld zwischen den Platten. Ohne Spannung wird nämlich kein einziges Elektron von einer zur anderen Platte befördert. Die Stärke des elektrischen Felds kann man sich als Anzahl der Feldlinien pro Flächeneinheit vorstellen. Bei gleichem Plattenabstand kann man die Feldliniendichte erhöhen, wenn man die Elektronen enger zusammenpackt, denn dann werden deren Feldlinien zusammengedrückt, womit sich mehr Feldlinien pro Flächeneinheit ergeben.

   
Bild 8: Ladungsdichte bei niedriger (links) und hoher Spannung (rechts)

Die Anzahl der von einer auf die andere Platte beförderten Elektronen bestimmt die sogenannte Ladung Q des Kondensators, denn jedes einzelne Elektron leistet mit seiner Elementarladung einen Beitrag zur Gesamtladung. Auf der anderen Seite ist der Strom definiert als "Elektronen pro Zeiteinheit", so daß man die Ladung entweder über die Anzahl der Elektronen oder aber über den Strom, der für eine gewisse Zeit geflossen ist, berechnen kann:


Auf der anderen Seite kann man die Ladung auch anders berechnen: Sie hängt linear über eine Proportionalitätskonstante C von der angelegten Spannung ab, die ja ein Maß dafür ist, mit welchem "Druck" die Spannungsquelle die Elektronen in den Kondensator drückt:


Wenn man Kondensatoren miteinander vergleicht, macht es keinen Sinn, die Ladung zu messen und miteinander zu vergleichen. Es käme ja auch niemandem in den Sinn, den aktuellen Inhalt von Gläsern als Vergleichsmaßstab für deren Fassungsvermögen zu verwenden: Das kleinste Glas könnte ja vollgefüllt sein, während das größte lediglich einen einzigen Tropfen enthält. Was man zum Vergleich von Kondensatoren heranziehen muß, ist ein Maß für das Fassungsvermögen und nicht für den aktuellen Inhalt. Die in der obigen Gleichung verwendete Proportionalitätskonstante C ist dafür bestens geeignet, denn sie hängt von den mechanischen Abmessungen des Kondensators ab und beschreibt damit die Eigenschaften des Kondensators. Man nennt C im Fachjargon Kapazität eines Kondensators. Mechanische Einflußgrößen auf die Kapazität sind die Fläche und andererseits der Abstand der Platten. Sie berechnet sich bei einem Kondensator mit Luft als Isoliermaterial recht einfach gemäß folgender Formel:
C=ε0*A/d ; ε0=8,85*10-12As/Vm (Naturkonstante)

Zusammengefaßt kann man sagen, daß ein Kondensator Elektronen aufnehmen, speichern und auch wieder abgeben kann. Der Unterschied zu einer Batterie oder einem Akkumulator ist, daß die Elektronen nicht in chemischen Verbindungen gespeichert werden, sondern als freie Elektronen vorhanden sind. Elektronen können daher in extrem kurzer Zeit auf einen Kondensator transferiert und diesem auch genauso schnell wieder entnommen werden.


Dielektrikum

Bisher sind wir davon ausgegangen, daß sich zwischen den Platten nur Luft befindet. Luft verhält sich in einem Kondensator fast wie Vakuum (also sprichwörtlich "nichts") und beeinflußt das zwischen den Platten vorhandene elektrische Feld nicht nennswert. Luft hat jedoch einige Nachteile beim Bau von Kondensatoren. Der in der Praxis größte ist der, daß sie die durch die unterschiedlichen Ladungen hervorgerufene Anziehungskraft der Platten nicht mechanisch abstützt, wodurch ein solider äußerer Aufbau notwendig ist. Es ist schwierig, große Platten ohne Abstandshalter zwischen ihnen Bruchteile von Millimetern voneinander entfernt stabil zu positionieren. Viel günstiger wäre ein festes Material, das sich zwischen den Platten befindet und sowohl als Abstandshalter fungiert als auch die durch die elektrostatische Anziehung hervorgerufenen Druckkräfte aufnimmt. Zudem besitzt Luft eine relativ geringe Durchschlagspannung. Aus diesem Grund verwendet man gern einen festen Isolator als Medium zwischen den beiden Platten (In Bild 9 grün dargestellt).



Bild 9: Kondensator mit festem Dielektrikum

Wenn man einen Isolator als Material zwischen den Platten verwendet, wird man überrascht feststellen, daß die Kapazität des Kondensators bei gleicher Plattengröße und gleichem Abstand ansteigt. Dieser Effekt wird dadurch hervorgerufen, daß es in einem Isolator keine Elektronen gibt, die sich frei im Material bewegen können (sonst würde er den Strom leiten und wäre daher kein Isolator); die Atome besitzen vielmehr fest zugeordnete Elektronen, die sie umkreisen und ihre Bahnen nie verlassen. Der Bahnmittelpunkt und damit der Ladungsmittelpunkt der Elektronen deckt sich ohne äußeres elektrisches Feld exakt mit der Position des Atomkerns, weshalb das Atom nach außen hin elektrisch ungeladen erscheint (Bild 9 links). Durch ein anliegendes elektrisches Feld verschieben sich jedoch die Bahnen der Elektronen wie in Bild 10 rechts gezeigt in Richtung der positiv geladenen Platte.


Bild 10: Dielektrikum im elektrischen Feld

Das elektrische Feld ist zwar bei weitem nicht stark genug, um die Elektronen vom Atomkern "wegzublasen", aber die urspünglich kreisförmige Bahn der Elektronen verändert ihr Aussehen, und der als grünes Kreuz eingezeichnete Bahnmittelpunkt verschiebt sich, weil die um den Atomkern kreisenden Elektronen in Richtung der positiven Ladung (also dem Ausgangspunkt der Feldlinien) angezogen werden. Dadurch befindet sich der Ladungsmittelpunkt der Elektronen ein kleines Stück neben dem Atomkern. Als Folge hat das Atom eine positiv und eine negativ geladene Seite, auch wenn es in Summe immer noch ungeladen ist. Weil dies auf alle Atome des Isolators zutrifft, sehen die Elektronen auf der negativ geladenen Platte des Kondensators in unmittelbarer Nähe eine positive Ladung und die Ionen auf der positiv geladenen Platte eine negative Ladung. Es wirkt also genauso, als ob man den Abstand zwischen den Platten verringert hätte. Durch die zusätzliche Ladungskompensation (wie oben beschrieben), kann man mehr Ladungsträger auf die Platten bringen, wodurch die Kapazität steigt. Da im elektrischen Feld die Atome eine positive und eine negativ geladene Seite erhalten, nennt man ein solches Material Dielektrikum (di = zwei).

Um welchen Faktor sich die Kapazität bei Einsatz eines Dielektrikums erhöht, ist von seinem inneren Aufbau abhängig, d.h. von der Anzahl der Elektronen eines Atoms und davon, wie leicht sich deren Bahn von äußeren Feldern beeinflussen läßt. Damit die weiter oben genannte Formel zur Berechnung der Kapazität allgemeingültig wird, muß man die relative Dielektrizitätskonstante hinzufügen (neuerdings "relative Permittivitätskonstante" genannt) und erhält folgende Formel:
C=εr0*A/d ; εr = relative Permittivitätskonstante

   

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Letztes Update dieser Seite: 27.11.2013 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)