Kondensatoren sind grundlegende Komponenten auf dem Gebiet der Elektronik und spielen in verschiedenen elektronischen Schaltkreisen eine entscheidende Rolle. Das Verständnis der Konzepte von Kapazität und Ladung ist für jeden, der in die Welt der Elektrotechnik eintauchen möchte, von entscheidender Bedeutung. In diesem Artikel geben wir eine kurze Einführung in Kondensatoren, erklären die Kapazität und befassen uns mit der Gleichung, die ihr Verhalten bestimmt.
Was ist ein Kondensator?
Ein Kondensator ist eine passive elektronische Komponente mit zwei Anschlüssen, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert. Die Struktur eines Kondensators besteht aus zwei leitenden Platten, die normalerweise aus Metall bestehen und mit einem dielektrischen Material dazwischen voneinander entfernt angeordnet sind. Wenn an den Anschlüssen eines Kondensators eine Spannungsdifferenz angelegt wird, sammelt dieser Ladung auf seinen Platten an und erzeugt zwischen ihnen ein elektrisches Feld.
Was ist Kapazität?
Die Kapazität ist ein Maß dafür, wie viel elektrische Energie pro Spannungseinheit an einem Gerät oder einer Komponente gespeichert werden kann. Die Einheit der Kapazität ist Farad.
Was ist Ladung?
Die Ladung wird als das Vorhandensein elektrischer Energie beschrieben. Sein Symbol ist Q und seine Einheit ist Coulomb.
Funktionsweise von Kondensatoren
Wenn an die Anschlüsse eines Kondensators eine elektrische Spannung angelegt wird, löst das zwischen den Platten aufgebaute elektrische Feld die Bewegung der Elektronen aus. Die negative Platte des Kondensators wird zum Sammelpunkt für Elektronen, die vom Minuspol der Spannungsquelle abgewandert sind.
Gleichzeitig verlässt eine gleiche Anzahl Elektronen die positive Platte des Kondensators und kehrt zum Pluspol der Spannungsquelle zurück.
Diese Ansammlung und Umverteilung der Ladung setzt sich fort, bis der Kondensator vollständig geladen ist. Ab diesem Zeitpunkt hört der Elektronenfluss auf. Die in einem Kondensator gespeicherte Ladung kann mithilfe der Gleichung bestimmt werden:
In der angegebenen Gleichung symbolisiert „Q“ das Aufladung innerhalb der angesammelt Kondensator , „C“ bezeichnet das Kapazität und „V“ stellt die am Kondensator angelegte Spannung dar.
Diese Gleichung zeigt eine proportionale Beziehung zwischen der Kapazität und der angelegten Spannung und zeigt, dass die in einem Kondensator gespeicherte Ladungsmenge in direktem Zusammenhang mit diesen beiden Variablen steht. Daher führt eine Erhöhung der Kapazität oder der Spannung zu einer höheren Ladungsakkumulation.
Kapazität eines Parallelplattenkondensators
Die Kapazität eines Kondensators wird durch die Oberfläche der Platten (A) und den Abstand (d) zwischen ihnen bestimmt, wobei beide Faktoren seine Gesamtkapazität beeinflussen. Je größer die Plattenfläche, desto größer die Kapazität, während ein kleinerer Abstand zwischen den Platten zu einer erhöhten Kapazität führt. Dieser Zusammenhang wird durch die Gleichung beschrieben:
Kondensatoren besitzen die Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern, wobei die gespeicherte Energiemenge (U) direkt proportional zum Quadrat der angelegten Spannung (V) und der Kapazität (C) des Kondensators ist. Die Gleichung für die in einem Kondensator gespeicherte Energie lautet:
Die Kenntnis der in einem Kondensator gespeicherten Energie ist für den Schaltkreisentwurf von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Energiefreisetzung oder der momentane Leistungsbedarf wichtig sind.
Kapazität eines Kugelkondensators
Um die Kapazität eines Kugelkondensators zu berechnen, müssen Sie den Radius sowohl der inneren als auch der äußeren leitenden Kugeln kennen. Die Form des Kondensators und die Permittivität des zwischen den Kugeln positionierten Materials steuern die Kapazität. Die Formel zur Berechnung der Kapazität eines Kugelkondensators lautet:
Andererseits wird das Symbol „εᵣ“ verwendet, um die relative Permittivität oder Dielektrizitätskonstante des zwischen den Kugeln befindlichen Materials darzustellen. Darüber hinaus bezeichnet „r₁“ den Radius der inneren Kugel, während „r₂“ den Radius der äußeren Kugel bezeichnet.
Indem Sie die Werte des Radius und der Permittivität des Materials ersetzen, können Sie die Kapazität des Kugelkondensators berechnen. Es ist erwähnenswert, dass sich die Kapazitätsformel wie folgt vereinfacht, wenn die innere Kugel einen vernachlässigbaren Radius hat oder als Punktladung betrachtet wird:
In diesem Fall wird die Kapazität ausschließlich durch den Radius der äußeren Kugel und die Permittivität des Materials bestimmt.
Kapazität eines zylindrischen Kondensators
Um die Kapazität eines Zylinderkondensators zu berechnen, müssen Sie die Länge des Kondensators (L), den Radius des Innenleiters (r₁) und den Radius des Außenleiters (r₂) kennen. Die Form des Kondensators und die Permittivität des zwischen den Kugeln positionierten Materials steuern die Kapazität. Die Formel zur Berechnung der Kapazität eines Zylinderkondensators lautet:
Andererseits wird das Symbol „εᵣ“ verwendet, um die relative Permittivität oder Dielektrizitätskonstante des zwischen den Kugeln befindlichen Materials darzustellen. Darüber hinaus bezeichnet „r₁“ den Radius der inneren Kugel, während „r₂“ den Radius der äußeren Kugel bezeichnet.
Abschluss
Kondensatoren sind entscheidende Komponenten der Elektronik und ermöglichen die Energiespeicherung und Spannungsregelung. Die Kapazität, gemessen in Farad (F), quantifiziert die Fähigkeit eines Kondensators, Ladung zu speichern. Sie ist direkt proportional zur gespeicherten Ladung (Q) und umgekehrt proportional zur Spannung (V) an den Anschlüssen des Kondensators.