Parallelplattenkondensator: Definition, Formel und Anwendungen
Ein Plattenkondensator ist ein Gerät, das elektrische Ladung und Energie in Form eines elektrischen Feldes zwischen zwei leitenden Platten speichern kann. Die Platten sind durch eine kleine Distanz getrennt und mit einer Spannungsquelle, wie beispielsweise einer Batterie, verbunden. Der Raum zwischen den Platten kann mit Luft, Vakuum oder einem dielektrischen Material gefüllt sein, was ein Isolator ist, der durch ein elektrisches Feld polarisiert werden kann.
Was ist ein Plattenkondensator?
Ein Plattenkondensator wird definiert als eine Anordnung von zwei Metallplatten gleicher Fläche A und entgegengesetzter Ladung Q, die durch einen Abstand d getrennt sind. Die Platten sind an eine Spannungsquelle V angeschlossen, die eine elektrische Spannung zwischen ihnen erzeugt. Das elektrische Feld E zwischen den Platten ist gleichförmig und senkrecht zu den Platten, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Das elektrische Feld E zwischen den Platten wird gegeben durch:
wobei V die Spannung zwischen den Platten, d der Abstand zwischen den Platten, σ die Oberflächenladungsdichte auf jeder Platte und ϵ0 die Permittivität des freien Raums ist.
Das elektrische Feld E induziert eine Polarisation P im dielektrischen Material, die das Dipolmoment pro Volumeneinheit des Materials ist. Die Polarisation P verringert das effektive elektrische Feld E innerhalb des Dielektrikums und erhöht die Kapazität C des Kondensators.
Die Kapazität C eines Plattenkondensators ist das Verhältnis der Ladung Q auf jeder Platte zur Spannung V zwischen den Platten:
Die Kapazität C hängt von der Geometrie der Platten und dem dielektrischen Material zwischen ihnen ab. Für einen Plattenkondensator mit Luft oder Vakuum zwischen den Platten lautet die Kapazität C:
wobei A die Fläche jeder Platte und d der Abstand zwischen den Platten ist.
Für einen Plattenkondensator mit einem dielektrischen Material zwischen den Platten lautet die Kapazität C:
wobei k die relative Permittivität oder die dielektrische Konstante des Materials ist, die eine dimensionslose Größe ist, die angibt, wie leicht das Material durch ein elektrisches Feld polarisiert werden kann.
Die relative Permittivität k eines dielektrischen Materials ist immer größer oder gleich 1. Je höher der Wert von k, desto mehr Ladung kann für eine gegebene Spannung auf dem Kondensator gespeichert werden, und desto höher ist die Kapazität.
Anwendungen von Plattenkondensatoren
Plattenkondensatoren haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Einige davon sind:
Filterung: Plattenkondensatoren können verwendet werden, um unerwünschte Frequenzen oder Störungen aus einem elektrischen Signal herauszufiltern. Beispielsweise können sie Gleichstrom (DC) signale blockieren und Wechselstrom (AC) signale durchlassen. Sie können auch verwendet werden, um Spannungsschwankungen in Stromversorgungen zu glätten.
Abstimmung: Plattenkondensatoren können verwendet werden, um elektrische Schaltkreise auf eine gewünschte Frequenz abzustimmen. Beispielsweise können sie in Radios, Fernsehern und anderen Kommunikationsgeräten verwendet werden, um einen bestimmten Kanal oder Frequenzbereich auszuwählen.
Sensoren: Plattenkondensatoren können verwendet werden, um physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Verschiebung usw. zu messen. Beispielsweise können sie in Mikrofonen, Thermometern, Hygrometern, Beschleunigungsmessern usw. verwendet werden. Die Kapazität eines Plattenkondensators ändert sich aufgrund dieser physikalischen Größen, da sich der Abstand zwischen den Platten oder das dielektrische Material zwischen ihnen verändert.
Energiespeicherung: Plattenkondensatoren können verwendet werden, um elektrische Energie in ihren elektrischen Feldern zu speichern. Beispielsweise können sie in Taschenlampen, Kameras, Defibrillatoren usw. verwendet werden. Die gespeicherte Energie in einem Plattenkondensator wird gegeben durch:
wobei U die gespeicherte Energie in Joules (J), C die Kapazität in Farad (F) und V die Spannung in Volt (V) ist.
Zusammenfassung
Ein Plattenkondensator ist ein Gerät, das elektrische Ladung und Energie in einem elektrischen Feld zwischen zwei leitenden Platten, die durch einen Abstand getrennt sind, speichern kann.
Die Kapazität eines Plattenkondensators ist proportional zur Fläche jeder Platte und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen. Sie hängt auch vom dielektrischen Material zwischen den Platten ab, das das effektive elektrische Feld reduziert und die Kapazität erhöht.
Plattenkondensat
