Kondensator mit Dielektrikum

Kondensator mit Dielektrikum.

(1) Der Ladungsschwerpunkt wird verschoben.

Bei einem Isolator können die Elektronen ihr Atom nicht verlassen.

Ist kein äußeres elektrisches Feld vorhanden, so fällt der Ladungsschwerpunkt der Elektronen in der Atomhülle und der Ladungssschwerpunkt des positiv geladenen Atomkerns zusammen.

Unter dem Einfluß äußerer Ladungen (also wenn ein elektrisches Feld vorhanden ist), verschieben sich diese Ladungsschwerpunkte.

Die leichten Elektronen der Atomhülle werden von den äußeren positiven Ladungen angezogen, der schwerere Atomkern ein wenig von den äußeren negativen Ladungen.

Die Atome im Isolator werden zu kleinen elektrischen Dipolen, sie werden polarisiert.
Man nennt den Isolator daher auch ein Dielektrikum. (erinnert an Dipol)

An den Oberflächen des Dielektrikums entstehen sogenannte Polarisationsladungen.
Sie können Ausgangs- und Endpunkte von elektrischen Feldlinien sein.

Wird ein Dielektrikum in einen Kondensator eingebracht, verändern sich wiederum Größen des Kondensators.

Beachte in den Grafiken:
Ein großer Buchstabe bedeutet: großer Wert
ein kleiner Buchstabe bedeutet: kleiner Wert.

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Achte in den folgenden Darstellungen auf folgende Punkte:
	konstante Größen sind braun bezeichnet. die Veränderung in der Größe der Buchstaben zeigt an, ob die entsprechende physikalische Größe zu- oder abnimmt! Achte auf die Ladungsverhältnisse auf den Kondensatorplatten und die elektrischen Feldlinien! Beachte auch das Spannungsinstrument!

(2) Kondensator bleibt mit Quelle verbunden.

Animation: Kondensator mit Quelle verbunden

Die Quelle sorgt dafür, dass die Spannung an den Kondensatorplatten konstant bleibt.

Wird ein Dielektrikum eingebracht, so werden die Atome in seinem Inneren polarisiert und es entstehen an seiner Oberfläche Polarisationsladungen.

Damit auch dort Feldlinien enden können, fließen zusätzliche Ladungen von der Quelle auf die Kondensatorplatten nach.

Bei gleicher Spannung passen jetzt mehr Ladungen auf die Platten, die Kapazität des Kondensators hat sich also vergrößert.

Im gezeichneten Beispiel passen mit Dielektrikum dreimal so viel Ladungen auf die Platten
( ohne Dielektrikum sind es zwei, mit Dielektrikum sechs), also ist die Kapazität nun dreimal so groß.

Man nennt den Faktor, um den sich die Kapazität (gegenüber Vakuum zwischen den Platten) vergrößert hat, die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums.
Sie ist im Beispiel also 3.

Luft als Dielektrikum ist kaum polarisierbar,
ihre Dielektrizitätszahl ist also praktisch ebenfalls 1 (wie beim Vakkum).

Polare Moleküle (z.B. das Wassermolekül) , die schon "von Natur aus" Dipole sind, haben besonders große Dielektrizitätszahlen.

(3) Kondensator wird von Quelle getrennt.

Nun wird der Kondensator von der Quelle abgetrennt, bevor ein Dielektrikum zwischen die Platten geschoben wird.

Animation: Kondensator von Quelle getrennt

Damit ist bei diesem Versuch also die Ladungsmenge Q auf den Kondensatorplatten konstant.

Wieder werden die Atome im Dielektrikum polarisiert.
Es endet nun ein Teil der ursprünglichen elektrischen Feldlinien an Polarisationsladungen des Dielektrikums
-> die Feldstärke nimmt ab.

Wegen E=U / d (d ist konstant) sinkt die Spannung ebenfalls ab.
(Beachte das Spannungsmessinstrument!)

Auch im zweiten Versuch nimmt die Kapazität des Kondensators zu, nur können hier keine Ladungen auf die Platten nachfließen (der Kondensator ist ja von der Quelle getrennt!).

Der Kondensator "reagiert" hier mit einem Rückgang des Spannung an seinen Platten.
Ist die Dielektrizitätszahl wie im Beispiel 3, so ist die Kapazität mit Dielektrikum dreimal so groß wie ohne, die Spannung sinkt also auf 1/3 des Anfangswerts, ebenso die elektrische Feldstärke.