Dielekrikum und Dielektrizitätszahl

Es gibt eine weitere Möglichkeit, die Kapazität von Kondensatoren deutlich zu erhöhen.

Zur Veranschaulichung wird folgender Versuch durchgeführt:

Versuch:

Der Plattenkondensator wir geladen und anschließend von der Spannungsquelle getrennt. Dann wird ein Nichtleiter (Glasplatte, Buch etc.) zwischen die Kondensatorplatten geschoben und wieder herausgezogen. Eine Änderung der Spannung kann am angeschlossenen Elektroskop beobachtet werden.

Beobachtung:

Der Ausschlag am Elektroskop verringert sich, solange sich der Nichtleiter zwischen den Platten befindet.

Schlussfolgerung:

Da die Ladungsmenge konstant geblieben ist und für die Kapazität C=\dfrac{Q}{U} gilt, muss sich die Kapazität erhöht haben.

Erklärung:

Durch den Isolator zwischen den Platten wird das Feld geschwächt, denn durch die dielektische Polarisation im Nichtleiter entsteht ein entgegengesetztes elektrisches Feld - ein Teil der Feldlinien entspringt bzw. endet nun in den Polarisationsladungen an der Oberfläche des Nichtleiters:

Dielektrikum Kondensator

Wenn man den Raum zwischen den Kondensatorplatten mit einem Isolator füllt, steigt die Kapazität des Kondensators um einen Faktor εr.

Einen Isolator im elektrischen Feld nennt man (nach Faraday) Dielektrikum.

Der Zahlenfaktor, um den die Kapazität steigt (im Vergleich zu Vakuum bzw. Luft), heißt Dielektrizitätszahl εr.

Die Dielektrizitätszahl ergibt sich somit aus dem Quotient der Kapazitäten mit und ohne Dielektrikum:

\varepsilon_{r}=\dfrac {C_{mit\; Dielektrikum}}{C_{ohne\; Dielektrikum}}

Die Dielektrizitätszahl hat also keine Einheit und ist nur ein Zahlenfaktor.

Damit ergibt sich nun die gesamte Formel zur Berechnung der Kapazität eines Kondensators:

C=\varepsilon_{r}\varepsilon_{0}\dfrac {A}{d}

Dielektrizitätszahlen liegen je nach Material meist zwischen 0 und 100.

Dielektrizitätszahlen verschiedener Materialien:

Material  εr
Luft 1,000594
Papier 1,2 - 3
Plexiglas 3 - 3,5
Glas 3 - 15
Keramische Stoffe bis 10.000

Übungsaufgaben:

Cornelsen Oberstufe Physik Band 2 (1. Auflage 1998)

S. 254  A2 / A3 / A4 / A7 / A9

Metzler Physik SII (3. Auflage 1998)

S. 199  1. / 2. / 3. / 4.

Bauformen von Kondensatoren und Einsatz in der Technik

Durch den Einsatz von speziellen Materialien für das Dielektrikum sowie bestimmter Bauformen ist es möglich, Kondensatoren mit kompakten Abmessungen und mit Kapazitäten in der Größenordnung von einem Farad zu bauen.

Bauformen von Kondensatoren:

Abbildung von Kondensatoren

Bilder von Kondensatoren:

Foto von Kondensatoren

Elektrolytkondensatoren (Abkürzung: Elko)

Durch eine spezielle Bauform und durch die Verwendung einer leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) als Kondensatorplatte ist es möglich, Kondensatoren mit sehr hoher Kapazität zu bauen. Solche Elektrolytkondensatoren sind folgendermaßen aufgebaut:

    • Eine Kondensatorplatte besteht aus Alufolie, die andere aus einer leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt)
    • Die Alufolie ist mit einer sehr dünnen Oxidschicht überzogen, welche als Dielektrikum dient. Die Dielektrizitätszahl der Oxidschicht ist sehr groß
    • Dadurch dass die Oxidschicht sehr dünn ist, ist der Plattenabstand entsprechend klein

Im Gegensatz zu anderen Kondensatoren muss die Polung beachtet werden, und Elektrolytkondensatoren dürfen daher nur mit Gleichspannung betrieben werden. Bei falscher Polung wird die Oxidschicht abgebaut, was zur Erwärmung des Elektrolyts führt und schlimmstenfalls zur Explosion führen kann.

Ausführliche Informationen über Elektrolytkondensatoren findet man bei Wikipedia.