Aufgaben zum elektrischen Feld (Lösungen)

HINWEIS

Die Lösungen sind noch nicht ausgearbeitet. Sie kommen nach und nach hinzu.

Wer will kann gerne Lösungen verfassen und hier reinschreiben.

Tipps und Lösungsansätze

Zum Kondensator

2) Das Schaubild des U(Q)-Diagramms ist eine Ursprungsgerade.

Die maximale Spannung beträgt 5V, die maximale Ladung [math]Q=C\,U=\mathrm{0,33F \cdot 5V = 1,65C}[/math].

Die Energiemenge entspricht der Dreiecksfläche unter dem Schaubild: [math]E=\mathrm{0,5\cdot 5V\cdot 1,65C=4,125J}[/math]

Zum Kondensator

1) Ein mechanischer Vergleich

Vergleichen Sie einen Kondensator mit einem Fahrradreifen.

2) Bauformen

Beschreiben Sie eine technische Bauform eines Kondensators.

(Wikipedia: Bauformen von Kondensatoren, Bilder, ...)

3) Kennlinie

Ein idealer Kondensator hat eine konstante Kapazität von 0,33F bei maximal 5V Spannung. Zeichnen Sie die U(Q)-Kennlinie. Lesen Sie an der Kennlinie ab wieviel Ladung und Energie der Kondensator maximal aufnehmen kann.

4) Dielektrikum

Wie verändert ein Dielektrikum die Eigenschaften eines Kondensators? Was bedeutet [math]\epsilon_r=3[/math]?

5) Plattenkondensator mit und ohne Dielektrikum

Berechnen Sie für einen Plattenkondensator mit kreisförmigen Platten (r=12,25cm) im Abstand von 1cm die Kapazität mit Luft im Zwischenraum.

Der Kondensator wird mit 10kV geladen. Berechnen Sie:

a) wie stark das elektrische Feld ist,

b) wieviel Ladung auf den Platten ist,

c) wieviel Energie gespeichert ist und

d) welche Kraft auf die Platten wirkt.

e) Nun füllt man den Zwischenraum des Kondensators mit Polytetrafluorethylen (Teflon). Es hat eine Permittivität von [math]\epsilon_r= 2[/math]. Dann lädt man den Kondensator wieder mit 10kV auf. Berechnen Sie, wie sich die Werte von a) bis d) verändern und wie sich die Energie auf das Feld und das polarisierte Teflon verteilt.

Die Kapazität kann man nur direkt über die Eigenschaften des Kondensators berechnen, weil man die gespeicherte Ladung noch nicht kennt:

[math]C= \epsilon_0\,\frac{A}{d} = 8{,}854 \cdot 10^{-12} \frac {\mathrm{A}\,\mathrm{s}} {\mathrm{V}\,\mathrm{m}} \cdot \frac{\pi \cdot (0{,}1225\,\rm m)^2}{0{,}01\,\rm m} \approx 4{,}17 \cdot 10^{-11} \,\rm F = 41{,}7 \cdot 10^{-12} \,\rm F = 41{,}7 \,\rm pF [/math]

a) Die Feldstärke ist die räumliche Änderungsrate des Potentials:

[math]E=\frac{U}{d} = \rm \frac{10^4\,\rm V}{0{,}01\,\rm m} = 10^6\,\rm\frac{V}{m} [/math]

b) Die Ladungsmenge bestimmt man am einfachsten mit der Kapazität oder über die Ladung als Quellenstärke:

[math]Q=C\,U = 41{,}7 \cdot 10^{-12} \,\rm F \cdot 10^4\,\rm V = 41{,}7 \cdot 10^{-8} \,\rm C = 417 \cdot 10^{-9} \,\rm C = 417\,\rm nC [/math]

[math]Q=\epsilon_0 \, E \, A = 8{,}854 \cdot 10^{-12} \frac {\mathrm{A}\,\mathrm{s}} {\mathrm{V}\,\mathrm{m}} \cdot 10^6\,\rm\frac{V}{m} \cdot \pi \cdot (0{,}1225\,\rm m)^2 \approx 4{,}17 \cdot 10^{-7} \,\rm C [/math]

c) Die Energie kann man nun auf verschiedene Weise berechnen:

[math]W=\frac{1}{2} \, Q \, U = \frac{Q^2}{2\ C} = \frac{1}{2}\, C \, U^2 = 2{,}09 \cdot 10^{-3} \,\rm J \approx 2\, \rm mJ[/math]

d) Zur Berechnung der Kraft auf die Platten hat man viele Möglichkeiten. Am einfachsten ist es über die gespeicherte Energie:

[math]F=\frac{1}{2} \, Q \, E = \frac{1}{2}\, \epsilon_0 \,A\,E^2 = \frac{Q^2}{2\epsilon_0\,A} = \frac{W}{d} = \frac{2{,}09 \cdot 10^{-3} \,\rm J }{5 \cdot 0{,}01\,\rm m} = 0{,}209 \,\rm N \approx 0{,}2\,\rm N[/math]

e) Die Kapazität des Kondensators ist nun 6 mal größer als vorher:

[math]C = \epsilon_0\,\epsilon_r\,\frac{A}{d} = \frac{Q}{U} = 6 \cdot 41{,}7 \,\rm pF = 250\, pF[/math]

Die Feldstärke ist unverändert, weil wieder die gleiche Spannung beim gleichen Plattenabstand anliegt:

[math]E=\frac{U}{d} = \rm \frac{10^4\, \rm V}{0,01\,\rm m} = 10^6\rm \frac{V}{m} [/math]

Zur Berechnung der Ladungsmenge muß man berücksichtigen, dass die Kapazität sich versechsfacht hat, also speichert der Kondensator auch 6 mal so viel Ladung. Man kann auch argumentieren, dass man 6 mal soviel Ladung verschieben muss, um die gleiche Feldstärke zu erreichen, da die Polarisationsladungen die effektive Gesamtladung und damit die Feldstärke verringern:

[math]Q=C\,U = 6 \cdot 417 \,\rm nC = 2500\,\rm nC =2{,}5 \mu C[/math]

Der Kondensator speichert 6 mal so viel Energie, denn die Spannung ist unverändert, Ladung und Kapazität sind aber 6 mal so groß:

[math]W=\frac{1}{2} \, Q \, U = \frac{1}{2}\, C \, U^2 = 6 \cdot 2{,}09 \,\rm mJ =12{,}5 \, \rm mJ[/math]

Weil die Feldstärke gleich geblieben ist, hat sich die im Feld gespeicherte Energie nicht geändert:

[math]W_{Feld} = 2{,}09 \,\rm mJ[/math]

Zusätzlich kommt jetzt noch die im polarisierten Teflon gespeicherte Energie hinzu, die 5/6 der Gesamtenergie ausmacht. Es wird also fünfmal mehr Energie im Teflon gespeichert als im Feld:

[math]W_{pol} = 5\cdot 2{,}09 \,\rm mJ = 10{,}5 \,\rm mJ[/math]

Bei der Kraftwirkung auf die Platten ist die Feldstärke und die Ladungsmenge entscheidend. Die Feldstärke ist unverändert, aber die Ladung auf den Platten ist 6 mal größer. Daher ist auch die Kraft auf die Platten 6 mal größer.
Man kann auch argumentieren, dass die Energiemenge auf das 6fache gestiegen ist.

[math]F=\frac{1}{2} \, Q \, E = \frac{1}{2}\, \epsilon_0 \, \epsilon_r \,A\,E^2 = \frac{Q^2}{2\epsilon_0\,\epsilon_r\,A} = \frac{W}{d} = 6\cdot 0{,}209 \,\rm N = 1{,}25 \,\rm N[/math]

6) Kondensatoren statt Benzin

Ein Liter Benzin enthält ca. 30 MJ Energie. Welcher Kondensator könnte das Benzin als Energieträger ersetzen?
Baut man einen Plattenkondensator mit Luft zwischen den Platten, so springt ab einer Feldstärke von 2,5 kV/mm ein Funke über und der Kondensator ist entladen.

a) Entwerfen Sie einen Plattenkondensator, der die gleiche Energiemenge wie ein Liter Benzin speichern kann. (Tipp: Berechnen Sie zuerst die maximale Energiedichte des Kondensators! Dann legen Sie die Spannung fest und berechnen damit den Abstand und die Fläche.)

Die Energiedichte ist proportional zum Quadrat der Feldstärke. Die maximale Energiedichte erreicht man in Luft also bei [math]E=2{,}5\,\rm kV/mm = 2{,}5\,\rm MV/m [/math]:

[math]\rho_{el} = \frac{W}{V} = \frac{1}{2} \epsilon_0 \, E^2 = \frac{1}{2} \epsilon_0 \, E^2 = 8{,}854 \cdot 10^{-12} \frac {\mathrm{A}\,\mathrm{s}} {\mathrm{V}\,\mathrm{m}} \cdot (2{,}5\cdot 10^6\,\rm \frac{V}{m})^2 \approx 27{,}7\,\rm \frac{J}{m^3} = 27{,}7 \cdot 10^-3 \,\rm \frac{J}{l} = 27{,}7 \,\rm \frac{mJ}{l}[/math]

Statt 30 MJ/l enthält das elektrische Feld nur frustrierend wenig Energie, nämlich ungefähr ein Milliardstel der Energie des Benzins. Dementsprechend muss das Volumen des Kondensators ca. eine Milliarde Liter, also eine Million Kubikmeter betragen! Oder genauer:

[math]\rho_{el} = \frac{W}{V} \quad\Rightarrow\quad V=\frac{W}{\rho_{el}}=\frac{30\,\rm MJ}{27{,}7 \cdot 10^-3 \,\rm \frac{mJ}{m^3}} = 1{,}085\cdot 10^{6}\,\rm m^3 = (103\,\rm m)^3[/math]

Für dieses große Volumen bräuchte man bei einem Plattenabstand von 1cm eine Fläche von:

[math]A = \frac{V}{d} = \frac{1{,}085\cdot 10^{6}\,\rm m^3}{0{,}01\,\rm m} \approx 10^{8}\,\rm m^2 \approx (10\,\rm km)^2[/math]

Das entspricht in etwa der Fläche einer mittelgroßen Stadt wie Mainz. Offensichtlich ist es also unmöglich in einem luftgefüllten Kondensator nur annähernd soviel Energie speichern, wie es für eine Autofahrt nötig wäre. Deshalb muss man versuchen mit Dielektrika die Energiedichte zu erhöhen.

b) Um die Durchschlagsfestigkeit (das ist die maximale Feldstärke) des Kondensators zu erhöhen, bringt man ein Dielektrikum zwischen die Platten. Entwerfen Sie für die verschiedenen Dielektrika wieder einen Kondensator, der 30MJ Energie aufnehmen kann!

Die maximale Energiedichte berechnet sich mit: [math]\rho_{max}=\frac{1}{2} \,\epsilon_0 \,\epsilon_r \,E_{max}^2[/math]. Das Verwenden von Dielektrika bietet gleich zwei Vorteile:

• Bei gleicher Feldstärke speichert man durch die zusätzlich im polarisierten Dielektrikum gespeicherte Energie [math]\epsilon_r[/math]-mal so viel Energie.
• Man kann eine größere Feldstärke erreichen.

Dielektrikum	[math]\epsilon_r[/math]	[math]E_{max}[/math]	[math]\rho_{el}[/math]		Volumen für 30MJ
Luft	[math]1[/math]	[math]2{,}5\,\rm\frac{kV}{mm}[/math]	[math]27{,}7\,\rm\frac{J}{m^3}[/math]	[math]27{,}7\,\rm\frac{mJ}{l}[/math]	[math]10^6\,\rm m^3 = (100\,\rm m)^3[/math]
Glas	[math]7[/math]	[math]20\,\rm\frac{kV}{mm}[/math]	[math]12{,}4\cdot 10^3\,\rm\frac{J}{m^3}[/math]	[math]12{,}4\,\rm\frac{J}{l}[/math]	[math]2400 \,\rm m^3 \approx (13\,\rm m)^3[/math]
Polypropylen (PP)	[math]2{,}1[/math]	[math]52\,\rm\frac{kV}{mm}[/math]	[math]25{,}1\cdot 10^3\,\rm\frac{J}{m^3}[/math]	[math]25{,}1\,\rm\frac{J}{l}[/math]	ca. [math]1000\,\rm m^3 = (10\,\rm m)^3[/math]
Bariumtitanat	[math]1000[/math] bis [math]10000[/math]	[math]500\,\rm\frac{kV}{mm}[/math]	[math]1{,}11\cdot 10^9\,\rm\frac{J}{m^3}[/math] bis [math]11{,}1\cdot 10^9\,\rm\frac{J}{m^3}[/math]	[math]1{,}11\,\rm\frac{MJ}{l}[/math] bis [math]11{,}1\,\rm\frac{MJ}{l}[/math]	[math]3\,\rm l[/math] bis [math]27\,\rm l[/math]

Die Energiedichte mit Glas oder dem Kunststoff PP ist schon wesentlich größer mit Luft, aber immer noch ein Millionstel mal kleiner als die von Benzin!

Nur die spezielle Keramik Bariumtitanat ist in der Lage ähnlich viel Energie zu speichern, nämlich bis zu ca. 10MJ pro Liter. Solche Dielektrika verhalten sich ähnlich wie Eisen in einem Magnetfeld und werden deshalb auch "Ferroelektrika" genannt. Die praktische, technische Umsetzung in "Superkondensatoren" ist nicht einfach und auch eine Kostenfrage, weshalb in diesem Gebiet weiter geforscht wird. Die Uni Halle-Wittenberg hat z.B. ein Forschungsprojekt dazu.

Die Plattenfläche und den Plattenabstand kann man nun passend wählen. Will man eine bestimmte maximale Spannung des Kondensators, muss man zuerst den richtigen Plattenabstand wählen.

7) Plattenziehen I

Ein aufgeladener Plattenkondensator wird von der Spannungsquelle getrennt und die Platten auseinandergezogen.

a) Wie verändert sich die Spannung, die Ladungsmenge auf den Platten und die Kapazität?

b) Wie verändert sich die Feldstärke und der Energiegehalt?

c) Wo kommt die nötige Energie her?

8) Plattenziehen II

Bei dem Plattenkondensator bleibt beim Auseinanderziehen diesmal die Spannungsquelle angeschlossen. Man stellt sich die gleichen Fragen:

a) Wie verändert sich die Spannung, die Ladungsmenge auf den Platten und die Kapazität?

b) Wie verändert sich die Feldstärke und der Energiegehalt?

c) Wo kommt die nötige Energie her?

ZEUGS

Hinweise und Lösungen

Grundlagen

• Entweder mit einem geladenen Probekörper (Monopol) oder mit influenzierten, neutralen Körpern (Dipolen). In beiden Fällen ergibt sich je nach Situation eine Kraftwirkung.

Flächenladungsdichte und erste Maxwellsche Gleichung

• Die Feldstärke nimmt proportional zu [math]\frac{1}{r}[/math] ab: [math]E=\mathrm{c}\cdot\frac{1}{r}[/math] (Vgl. Feld eines geladenen langen Drahtes)

Demnach hat das Potential die Form [math]\varphi(r)=\mathrm{c} \cdot \ln(r)[/math].

Mit [math]\mathrm{\varphi(0,0005m)=10kV}[/math] kann man die Konstante c bestimmen.