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Telekosmos-PraktikumTeil 1• Title • Heinz Richter • Inhaltsverzeichnis • Wichtige Hinweise • Auswahl von Geräten • Einleitung A. Wir richten unser Experimentierlabor ein B. Elektrotechnik, in Versuchen erlebt C. Mit Halbleiterdioden auf du und du D. Mit dem Transistor ist alles zu machen Schlusswort AnhangI. Anwelsung zum AufbauII. Anleitung zum Prüfen und Reparieren von Einzelteilen • Versuchsverzeichnis • Stichwortverzeichnis • Accessories • Norm-Schaltzeichen nach DIN |
4. Ein Kondensator hat KapazitätEs leuchtet ein, daß die in einem Kondensator aufgespeicherte Elektrizitatsmenge um so größer sein muss, je größer die Flaeche der Platten ist, denn um so mehr Elektronen finden auf ihr Platz. Weiterhin kann ein Kondensator um so mehr Energie speichern, je dichter die Platten einander gegenüberstehen. Dann naemlich stoesst die mit vielen Elektronen besetzte Platte die Elektronen der anderen Platte gewissermassen besonders stark zurück, und der Strom wird entsprechend gross. Schliesslich ist das Fassungsvermögen des Kondensators, das man auch Kapazität (C) nennt, von der Beschaffenheit des Isoliermaterials zwischen den Platten abhängig. Diese Materialbeschaffenheit drückt man durch einen "Dielektrizitätskonstante" genannten Wert aus. Die Kapazität hängt also von der Plattengröße (A), dem Plattenabstand (l) und der Dielektrizitatskonstante (ε) des Isoliermittels, des sogenannten Dielektrikums, ab. Die Einheit der Kapazität ist das Farad (F). Man kennt davon die Untereinheiten Mikrofarad (µF) (1 Farad = 1 Million Mikrofarad), Nanofarad (nF) (1 Mikrofarad = 1000 Nanofarad) und das Picofarad (pF). Dabei gelten die einfachen Zusammenhänge: 1 nF = 1000 pF und 1 µF = 1 000 000 pF. In der Radiotechnik und Elektronik sind die Einheiten Mikrofarad, Nanofarad und Picofarad am gebräuchlichsten.Die Grundformel für die Kapazität eines Plattenkondensators lautet: C = 0,0884 · (A · ε) / l (C in pF, A in cm², l in cm). Es gibt weitere Formeln für die versehiedensten Kondensatorformen. 5. Zur Kapazität gehört der kapazitive WiderstandJe kleiner die Kapazität eines Kondensators ist, um so kleiner ist der ihn durehfliessende Wechselstrom, wenn man eine Wechselspannung anlegt. Offenbar setzt der Kondensator der Wechselspannung einen bestimmten Widerstand entgegen, den man kapazitiven Widerstand (Xc) nennt. Dieser Widerstand hängt weitgehend von der Frequenz ab, denn je höher diese ist, um so oefter müssen die Elektronen je Zeiteinheit hin- und herfliessen, um so größer ist also auch der Wechselstrom und um so kleiner der kapazitive Widerstand, auch Wechselstromwiderstand des Kondensators genannt. Ausserdem hat natuerlich die Kapazität einen entsprechenden Einfluss auf diesen Widerstand. Wir müssen aber beachten, daß dieser sich so einstellende Widerstand nicht dieselbe Natur hat wie der eines Drahtwiderstandes, von dem wir bisher gesprochen haben und den man "Wirkwiderstand" nennt. Dem Zustandekommen des kapazitiven Widerstandes liegen ja ganz andere physikalische Umstände zugrunde, die mit den Verhältnissen bei den Wirkwiderständen nicht verglichen werden können. Vor allem verbraucht ein Kondensator keineswegs Leistung. Sie fliesst vielmehr zwischen Wechselstromquelle und Kondensator nur hin und her. Deshalb spricht man auch vom kapazitiven "Blindwiderstand". Wirwollen uns außerdem merken, dass zwischen der angelegten Spannung und dem in dem Kondensator fliessenden Strom eine Phasenverschiebung von 90 degrees besteht. wobei der Strom der Spannung immer "voreilt". Das leuchtet ein, wenn wir uns an das Verhalten des Kondensators bei Gleichspannung erinnern: zunaechst muss ein Strom fliessen, damit die Spannung an den Platten überhaupt aufgebaut werden kann. Ebenso ist es bei Wechselstrom, nur mit dem Unterschied, daß der Auf- und Abbau der Spannung dauernd vor sich geht. Aber auch hier steht am Anfang der Strom. Er steigt - das wollen wir uns besonders gut merken - bei gleichbleibender Wechselspannung mit steigender Frequenz.Der Zusammenhang zwischen Frequenz f (in Hz), Kapazität C (in F) und kapazitivem Widerstand Xc (in Ω) lautet: Xc = 1 / (6,28 · f · C) 6. So sind Kondensatoren gebautDie praktischen Ausführungsformen der Kondensatoren sind außerordentlich verschiedenartig. Betrachten wir elnmal die in unserem labor enthaltenen Kondensatoren. Zunaechst nehmen wir die mit "4,7 nF" bezeichnete Ausführung in die Hand. Sie steIIt sich uns als kleines Roehrchen mit zwei aus beiden Seiten herausragenden Drahten dar. Im Innern des Rohrchens befindet sich ein zu einem kleinen Zylinder aufgerollter Wickel, der aus zwei Metallfolien mit dazwischengelegter Isolierfolie besteht. Man spricht von Wickel- oder Rollkondensatoren. Ein anderer Typ ist der mit "500 µF" bezeichnete Kondensator. Es handelt sich um einen sogenannten Elektrolytkondensator, der im Prinzip auch aus zwei Elektroden besteht. Die Isolationsschicht wird hier jedoch durch einen hauchduennen Oxydfilm zwischen den Platten repraesentiert. Er ist viel duenner als es die duennste Folie der Rollkondensatoren sein kann, und deshalb kann man bei kleinem Raumaufwand besonders große Kapazitätswerte verwirklichen. Die Kapazität des 500-µF-Kondensators ist ja rund 100 000mal größer als die des Kondensators von 4,7 nFI Elektrolytkondensatoren verwendet man also für besonders große Kapazitäten. Sie haben allerdings mancherlei Nachteile; vor allem muss man die richtige Polarität beachten, d. h. man darf den Pluspol einer Stromquelle nur an den entsprechend bezeichneten Draht anschliessen.Einen veränderlichen Wirkwiderstand haben wir in Form des im Kasten enthaltenen Potentiometers kennengelernt. Es gibt auch veränderliche kapazitive Widerstände, die man Drehkondensatoren nennt. Ein solcher ist ebenfalls im Kasten enthalten, und wir wollen seinen Aufbau naeher besprechen. Es handelt sich im Prinzip um ein feststehendes und ein bewegliches "Paket" aus duennen Metallblechen, wobei die Bleche eines jeden Paketes leitend miteinander verbunden sind. Das bewegliche Paket ("Rotor") kann nun mit Hilfe einer Drehachse mehr oder weniger weit so zwischen die Bleche des festen Paketes ("Stator") geschoben werden, daß die sich gegenüberstehenden Flaechen mehr oder weniger gross sind. Durch mehr oder weniger weites Eindrehen des beweglichen Paketes kann man somit die Kapazität des Kondensators in weiten Grenzen ändern. 7. Ein Kondensator wird "geladen" - wir sehen und hören es!Da wir vorerst keine Wechselspannung zur Verfuegung haben - später werden wir uns eine solche selbst erzeugen - machen wir nur einen einfachen Versuch, der uns die Spelcherfaehigkeit eines Kondensators (Kapazität C) deutlich zeigt. Wir schalten den Pluspol unserer Monozellenbatterie (Spannung U) an den Pluspol des Kondensators von 500 µF, desgleichen den Minuspol an -9,0 V und schalten S9 ein. Dann schalten wir die Batterie ab und verbinden die Anschlüsse der Kondensatoren mit einem Draht. Im Augenblick der Verbindung sehen wir einen winzigen Funken und hören ein leises Knistern, ein Zeichen dafür, dass sich vorher elektrische Energie im Kondensator gespeichert hatte, die nunmehr zur "Entladung" gebracht wurde. Wir haben den vorher geladenen Kondensator also entladen. Den "Arbeitsinhalt" A solch eines Kondensators kann man nach der Formel A = C · U²/2 (in Wattsekunden) berechnen. In unserem Fall enthält er
Dasselbe können wir mit der Schaltung nach Abb. 16 wiederholen. In der unteren
Schalterstellung von S3 wird C geladen, in der oberen entladen, was hier einen
kurzzeitigen Ausschlag des Messinstrumentes hervorruft (Abb. 17). Dieser
Ausschlag ist dabei um so größer, je größer die Kondensatorspannung ist. Hier
fehlt uebrigens erstmalig der Batterieschalter S9 in Abb. 16 (s. Seite 24).
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