Elektrische Felder und Kapazität

Einführung

Wenn zwischen zwei getrennten Leitern eine elektrische Spannung anliegt, ist im Raum zwischen diesen Leitern ein elektrisches Feld vorhanden. In der grundlegenden Elektronik untersuchen wir die Wechselwirkungen von Spannung, Strom und Widerstand in Bezug auf Schaltkreise, die leitfähige Pfade sind, durch die Elektronen wandern können. Wenn wir von Feldern sprechen, haben wir es jedoch mit Interaktionen zu tun, die sich über leeren Raum verteilen können.

Zugegeben, der Begriff „Feld“ ist etwas abstrakt. Zumindest bei elektrischem Strom ist es nicht allzu schwer vorstellbar, dass sich winzige Teilchen, sogenannte Elektronen, zwischen den Atomkernen innerhalb eines Leiters bewegen, aber ein „Feld“ hat nicht einmal eine Masse und muss in der Materie überhaupt nicht existieren .

Trotz seiner abstrakten Natur hat fast jeder von uns direkte Erfahrungen mit Feldern, zumindest in Form von Magneten. Haben Sie schon einmal mit einem Paar Magneten gespielt und bemerkt, wie sie sich je nach ihrer relativen Ausrichtung anziehen oder abstoßen? Es gibt eine unbestreitbare Kraft zwischen einem Magnetpaar, und diese Kraft ist ohne „Substanz“. Es hat keine Masse, keine Farbe, keinen Geruch und wäre ohne die physische Kraft, die auf die Magnete selbst ausgeübt würde, für unseren Körper völlig unempfindlich. Physiker beschreiben die Wechselwirkung von Magneten in Form von magnetischen Feldern im Raum dazwischen. Wenn Eisenspäne in der Nähe eines Magneten platziert werden, orientieren sie sich entlang der Feldlinien und zeigen so visuell seine Anwesenheit an.

Die elektrischen Felder

Das Thema dieses Kapitels sind elektrische Felder (und Geräte, die Kondensatoren genannt werden, die sie nutzen), nicht magnetische Felder, aber es gibt viele Ähnlichkeiten. Wahrscheinlich haben Sie auch elektrische Felder erlebt. Kapitel 1 dieses Buches begann mit einer Erklärung der statischen Elektrizität und wie Materialien wie Wachs und Wolle – wenn sie aneinander gerieben werden – eine körperliche Anziehung erzeugen. Physiker würden diese Wechselwirkung wiederum als elektrische Felder beschreiben, die von den beiden Objekten aufgrund ihrer Elektronenungleichgewichte erzeugt werden. Es genügt zu sagen, dass immer dann, wenn zwischen zwei Punkten eine Spannung besteht, ein elektrisches Feld im Raum zwischen diesen Punkten manifestiert wird.

Die Field Force und der Field Flux

Felder haben zwei Maße:ein Feld force und ein Feld Fluss . Das Feld Kraft ist der "Schub", den ein Feld über eine bestimmte Distanz ausübt . Das Feld Fluss ist die Gesamtmenge oder Wirkung des Feldes durch den Raum . Feldstärke und -fluss sind ungefähr analog zu Spannung („Push“) bzw. Strom (Flow) durch einen Leiter, obwohl Feldfluss im völlig leeren Raum (ohne Bewegung von Teilchen wie Elektronen) existieren kann, während Strom nur stattfinden kann wo sich freie Elektronen bewegen können. Dem Feldfluss kann im Raum entgegengewirkt werden, ebenso wie dem Elektronenfluss ein Widerstand entgegengesetzt werden kann. Der Betrag des Feldflusses, der sich im Raum entwickelt, ist proportional zum Betrag der angelegten Feldkraft, geteilt durch den Betrag des Widerstands gegen den Fluss. So wie die Art des leitenden Materials den spezifischen Widerstand des Leiters gegenüber elektrischem Strom bestimmt, bestimmt die Art des Isoliermaterials, das zwei Leiter trennt, den spezifischen Widerstand des Feldflusses.

Normalerweise können Elektronen nicht in einen Leiter eindringen, es sei denn, es gibt einen Weg für die gleiche Menge an Elektronen, um auszutreten (erinnern Sie sich an die Marmor-in-Röhre-Analogie?). Aus diesem Grund müssen Leiter in einer Kreisbahn (einem Stromkreis) miteinander verbunden werden, damit ein Dauerstrom auftritt. Seltsamerweise können jedoch zusätzliche Elektronen in einen Leiter „gequetscht“ werden, ohne dass es einen Weg zum Austritt gibt, wenn sich im Raum relativ zu einem anderen Leiter ein elektrisches Feld aufbauen kann. Die Anzahl zusätzlicher freier Elektronen, die dem Leiter hinzugefügt (oder freier Elektronen weggenommen) werden, ist direkt proportional zum Betrag des Feldflusses zwischen den beiden Leitern.

Das elektrische Feld der Kondensatoren

Kondensatoren sind Komponenten, die entwickelt wurden, um dieses Phänomen zu nutzen, indem zwei leitfähige Platten (normalerweise Metall) in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden. Es gibt viele verschiedene Arten von Kondensatorkonstruktionen, die jeweils für bestimmte Nennwerte und Zwecke geeignet sind. Für sehr kleine Kondensatoren genügen zwei kreisförmige Platten, die ein Isoliermaterial einschließen. Für größere Kondensatorwerte können die „Platten“ Metallfolienstreifen sein, die um ein flexibles Isoliermedium gelegt und kompakt aufgerollt werden. Die höchsten Kapazitätswerte werden erreicht, indem eine mikroskopisch dicke Schicht aus isolierendem Oxid verwendet wird, die zwei leitfähige Oberflächen trennt. Die Grundidee ist aber in jedem Fall dieselbe:zwei Leiter, getrennt durch einen Isolator.

Das schematische Symbol für einen Kondensator ist recht einfach und besteht aus wenig mehr als zwei kurzen, parallelen Linien (die die Platten darstellen), die durch eine Lücke getrennt sind. Zur Verbindung mit anderen Komponenten werden Drähte an den entsprechenden Platten angebracht. Ein älteres, veraltetes schematisches Symbol für Kondensatoren zeigte verschachtelte Platten, was tatsächlich eine genauere Art ist, den tatsächlichen Aufbau der meisten Kondensatoren darzustellen:

Wenn eine Spannung an die beiden Platten eines Kondensators angelegt wird, wird zwischen ihnen ein konzentrierter Feldfluss erzeugt, der es ermöglicht, dass sich zwischen den beiden Platten ein erheblicher Unterschied an freien Elektronen (eine Ladung) entwickelt:

Da das elektrische Feld durch die angelegte Spannung aufgebaut wird, werden zusätzliche freie Elektronen gezwungen, sich auf dem negativen Leiter zu sammeln, während dem positiven Leiter freie Elektronen „geraubt“ werden. Diese Differenzladung entspricht einer Energiespeicherung im Kondensator, die die potentielle Ladung der Elektronen zwischen den beiden Platten darstellt. Je größer die Differenz der Elektronen auf gegenüberliegenden Platten eines Kondensators ist, desto größer ist der Feldfluss und desto größer ist die „Ladung“ an Energie, die der Kondensator speichert.

Da Kondensatoren die potentielle Energie der angesammelten Elektronen in Form eines elektrischen Feldes speichern, verhalten sie sich in einem Stromkreis ganz anders als Widerstände (die einfach Energie in Form von Wärme abführen). Die Energiespeicherung in einem Kondensator ist eine Funktion der Spannung zwischen den Platten sowie anderer Faktoren, die wir später in diesem Kapitel besprechen werden. Die Fähigkeit eines Kondensators, Energie in Abhängigkeit von der Spannung zu speichern (Potentialunterschied zwischen den beiden Leitungen), führt dazu, dass versucht wird, die Spannung auf einem konstanten Niveau zu halten. Mit anderen Worten, Kondensatoren neigen dazu, Änderungen zu widerstehen an Spannung. Wenn die Spannung an einem Kondensator erhöht oder verringert wird, "widersteht" der Kondensator der Änderung, indem er Strom von der Quelle der Spannungsänderung zieht oder Strom an diese liefert, im Gegensatz zur Änderung.

Um mehr Energie in einem Kondensator zu speichern, muss die Spannung an ihm erhöht werden. Dies bedeutet, dass mehr Elektronen zur (-)-Platte hinzugefügt und mehr von der (+)-Platte weggenommen werden müssen, was einen Strom in diese Richtung erfordert. Um umgekehrt Energie aus einem Kondensator freizusetzen, muss die Spannung an ihm verringert werden. Dies bedeutet, dass ein Teil der überschüssigen Elektronen auf der (-)-Platte zur (+)-Platte zurückgeführt werden muss, was einen Strom in die andere Richtung erfordert.

So wie das Erste Bewegungsgesetz von Isaac Newton („ein Objekt in Bewegung neigt dazu, in Bewegung zu bleiben; ein Objekt in Ruhe neigt dazu, in Ruhe zu bleiben“) die Tendenz einer Masse beschreibt, Geschwindigkeitsänderungen entgegenzuwirken, können wir die Tendenz eines Kondensators angeben, Spannungsänderungen als solche entgegentreten:„Ein geladener Kondensator neigt dazu, geladen zu bleiben; ein entladener Kondensator neigt dazu, entladen zu bleiben.“ Hypothetisch wird ein unberührt gelassener Kondensator den Spannungsladezustand, den er belassen hat, auf unbestimmte Zeit beibehalten. Nur eine externe Stromquelle (oder Stromsenke) kann die von einem perfekten Kondensator gespeicherte Spannungsladung ändern:

In der Praxis jedoch verlieren Kondensatoren schließlich ihre gespeicherten Spannungsladungen aufgrund von internen Leckpfaden, damit Elektronen von einer Platte zur anderen fließen können. Abhängig vom spezifischen Kondensatortyp kann die Zeit, die es dauert, bis sich eine gespeicherte Spannungsladung selbst abgebaut hat, lang (mehrere Jahre mit dem Kondensator auf einem Regal!).

Wenn die Spannung an einem Kondensator erhöht wird, zieht er Strom aus dem Rest der Schaltung und wirkt als Stromlast. In diesem Zustand heißt der Kondensator laden , da in seinem elektrischen Feld immer mehr Energie gespeichert wird. Beachten Sie die Richtung des Elektronenstroms in Bezug auf die Spannungspolarität:

Umgekehrt, wenn die Spannung an einem Kondensator verringert wird, liefert der Kondensator Strom an den Rest der Schaltung und wirkt als Stromquelle. In diesem Zustand heißt der Kondensator sich entladen . Sein Energiespeicher – gehalten im elektrischen Feld – nimmt jetzt ab, da Energie an den Rest des Kreislaufs abgegeben wird. Beachten Sie die Stromrichtung bezüglich der Spannungspolarität:

Wenn plötzlich eine Spannungsquelle an einen ungeladenen Kondensator angelegt wird (ein plötzlicher Spannungsanstieg), zieht der Kondensator Strom aus dieser Quelle und absorbiert Energie daraus, bis die Spannung des Kondensators der der Quelle entspricht. Sobald die Kondensatorspannung diesen endgültigen (geladenen) Zustand erreicht, fällt ihr Strom auf Null ab. Umgekehrt, wenn ein Lastwiderstand an einen geladenen Kondensator angeschlossen wird, liefert der Kondensator Strom an die Last, bis er seine gesamte gespeicherte Energie abgegeben hat und seine Spannung auf Null abfällt. Sobald die Kondensatorspannung diesen endgültigen (entladenen) Zustand erreicht, fällt ihr Strom auf Null ab. In ihrer Fähigkeit, geladen und entladen zu werden, kann man sich Kondensatoren so vorstellen, dass sie sich wie Sekundärbatterien verhalten.

Die Wahl des Isoliermaterials zwischen den Platten hat, wie bereits erwähnt, einen großen Einfluss darauf, wie viel Feldfluss (und damit wie viel Ladung) sich bei einer gegebenen Spannung an den Platten entwickelt. Aufgrund der Rolle dieses Isoliermaterials bei der Beeinflussung des Feldflusses hat es einen speziellen Namen:Dielektrikum . Nicht alle dielektrischen Materialien sind gleich:Das Ausmaß, in dem Materialien die Bildung eines elektrischen Feldflusses hemmen oder fördern, wird als Permittivität bezeichnet des Dielektrikums.

Das Maß für die Fähigkeit eines Kondensators, Energie für einen bestimmten Spannungsabfall zu speichern, wird als Kapazität bezeichnet . Es überrascht nicht, dass die Kapazität auch ein Maß für die Intensität des Widerstands gegen Spannungsänderungen ist (genau wie viel Strom sie bei einer bestimmten Spannungsänderungsrate erzeugt). Die Kapazität wird symbolisch mit einem großen „C“ bezeichnet und in der Einheit Farad, abgekürzt als „F“, gemessen.

Konvention hat aus irgendeinem seltsamen Grund das metrische Präfix „Mikro“ bei der Messung großer Kapazitäten bevorzugt, und so werden viele Kondensatoren mit verwirrend großen Mikrofarad-Werten bewertet:Zum Beispiel wurde ein großer Kondensator, den ich gesehen habe, mit 330.000 Mikrofarad bewertet! ! Warum nicht als 330 MilliFarad angeben? Ich weiß nicht.

Der veraltete Name des Kondensators

Ein veralteter Name für einen Kondensator ist Kondensator oder Kondensator . Diese Begriffe werden meines Wissens in keinen neuen Büchern oder Schaltplänen verwendet, aber sie können in älterer Elektronikliteratur vorkommen. Die vielleicht bekannteste Verwendung des Begriffs "Kondensator" ist in der Automobiltechnik zu finden, wo ein kleiner Kondensator mit diesem Namen verwendet wurde, um übermäßige Funkenbildung an den Schaltkontakten (sogenannten "Punkten") in elektromechanischen Zündsystemen zu mildern.

RÜCKBLICK:

• Kondensatoren reagieren auf Spannungsänderungen, indem sie Strom in die Richtung liefern oder ziehen, die erforderlich ist, um der Änderung entgegenzuwirken.
• Wenn ein Kondensator einer steigenden Spannung ausgesetzt ist, wirkt er als Last :Strom ziehen, da er Energie speichert (Strom fließt in die positive Seite und aus der negativen Seite heraus, wie ein Widerstand).
• Wenn ein Kondensator einer abnehmenden Spannung ausgesetzt ist, fungiert er als Quelle :Liefert Strom, während gespeicherte Energie freigesetzt wird (Strom fließt auf der positiven Seite und auf der negativen Seite, wie bei einer Batterie).
• Die Fähigkeit eines Kondensators, Energie in Form eines elektrischen Felds zu speichern (und folglich Spannungsänderungen entgegenzuwirken) wird als Kapazität bezeichnet . Es wird in der Einheit Farad . gemessen (F).
• Kondensatoren waren früher allgemein unter einem anderen Begriff bekannt:Kondensator (alternativ „Kondensator“ geschrieben).