Wie fließt Strom in einem Stromkreis mit einem Kondensator?

Da dies ein physikalisches q und a ist, ist eine physikalische Erklärung angebracht.

Es gibt zwei Arten von Strom.

Leitungsstrom ist ein Nettofluss von Ladungen. Daran denken die Leute normalerweise, wenn das Wort "aktuell" verwendet wird

Verschiebungsstrom ist eine andere Stromform, die zuerst von Maxwell erkannt wurde. Der Verschiebungsstrom spielt in den Maxwell-Gleichungen eine wesentliche Rolle. Die Verschiebungsstromdichte ist proportional zur zeitlichen Ableitung der Änderung der elektrischen Flussdichte.

Wenn Elektronenstrom in eine Seite eines Kondensators fließt, sammeln sich die Elektronen an, da es keinen Platz für sie gibt. Wenn sich die Elektronen ansammeln, ändert sich die elektrische Flussdichte. Dies verursacht oder "ist" vielleicht einen Verschiebungsstrom.

Auf der gegenüberliegenden Platte des Kondensators findet ein ähnlicher Vorgang statt, jedoch mit entgegengesetzter elektrischer Polarität.

Der Verschiebungsstrom fließt von einer Platte zur anderen durch das Dielektrikum, wann immer Strom in die oder aus den Kondensatorplatten fließt, und hat genau die gleiche Größe wie der Strom, der durch die Anschlüsse des Kondensators fließt.

Man könnte vermuten, dass dieser Verschiebungsstrom keine wirklichen Auswirkungen hat, außer Strom zu "sparen". Verschiebungsstrom erzeugt jedoch genauso wie Leitungsstrom Magnetfelder.

Diese Antwort ist vielleicht mehr als man wissen möchte, aber sie ist Teil der Geschichte der Elektrizität, die es wert ist, erzählt zu werden.

Wie ist es möglich, dass Strom in einem Stromkreis mit Kondensator fließt, da der Strom nach dem Ohmschen Gesetz umgekehrt proportional zum Widerstand ist und der Isolator per Definition einen großen Widerstand hat, also haben wir im Grunde einen offenen Stromkreis?

Die kurze Antwort lautet, weil Elektronen zu und von einem Kondensator fließen können, ohne dass die Elektronen die Isolierung zwischen den Platten passieren müssen. Folgende qualitative Erklärung wird angeboten:

Unter der Annahme, dass der Kondensator anfänglich nicht geladen wird, hat jede Metallplatte vor dem Anschluss an die Batterie die gleiche Menge an Protonen (positive Ladung) und hochmobilen Elektronen (negative Ladung), sodass jede Platte elektrisch neutral ist und keine Spannung anliegt ( Potentialdifferenz) zwischen den Platten.

Wenn der Kondensator mit einer Batterie verbunden ist, zieht der Pluspol der Batterie Elektronen von der damit verbundenen Platte an und bewegt sie zum Pluspol der Batterie. Dies hinterlässt ein Elektronendefizit auf dieser Platte, wodurch sie positiv geladen wird.

Gleichzeitig liefert der Minuspol der Batterie die gleiche Menge an Elektronen an die mit ihm verbundene Platte, wodurch ein Überschuss an Elektronen entsteht, wodurch die Platte negativ geladen wird.

Diese Bewegung von Elektronen von einer Platte zum Pluspol der Batterie und vom Minuspol der Batterie zur anderen Platte ist der Kondensatorstrom. Beachten Sie, dass die Elektronen nicht durch das isolierende Material (Dielektrikum) zwischen den Platten wandern.

Sie können sich das ungefähr so ​​vorstellen, dass die Elektronen durch die Kraft des von der Batterie erzeugten elektrischen Feldes von einer Platte "gezogen" und auf die andere "gedrückt" werden, die Ladungen aber auf den Platten "hängen bleiben", weil sie kommen nicht an dem isolierenden Dielektrikum vorbei.

Wie Sie bereits zu wissen scheinen, hört die Batterie schließlich auf, Elektronen zwischen den Platten zu bewegen, wenn die Potentialdifferenz zwischen den Platten gleich der der Batterie ist.

Hoffe das hilft.

Die Entfernung von Elektronen von der mit dem Pluspol verbundenen Kondensatorplatte bildet einen Strom. Wenn diese Elektronen für diese Platte entfernt werden, gibt es eine Ansammlung von Elektronen auf der anderen Platte. Diese Bewegung von Elektronen bildet einen Strom.

Der Strom stoppt, wenn die Potentiale der Kondensatorplatten gleich den Potentialen der jeweiligen Batterieanschlüsse sind. Dies geschieht nicht augenblicklich, sondern hat ein Zeitverhalten, da der Transport von Elektronen aus und in den Kondensator Zeit benötigt und die Potentiale vom Ladungsungleichgewicht der Platten abhängen.

Das Vorhandensein eines Parallelplattenkondensators bedeutet, dass in einem Teil der Schaltung (nur ein kleiner Teil; Kondensatoren haben selten einen Abstand von einem Millimeter) keine Bewegung von Elektronen, sondern nur ein Feldaufbau (begleitet von Elektronen, wenn der Kondensator ist kein Vakuumtyp). Dies ist problematisch, da es eine einfache Möglichkeit gibt, Strom zu erfassen, nämlich das Magnetfeld zu beobachten, das der Strom erzeugt, und ein TEIL des Stromkreises jetzt keinen Strom mehr hat.

Tatsache ist, dass es keine „Korrektur“ des Magnetfelds gibt. Die relevante Maxwell-Gleichung für Strom, der Magnetismus erzeugt, hat einen Term, der dem Stromverschiebungsstrom hinzugefügt wird, der die Änderungsrate des elektrischen Felds ist (wie das Feld innerhalb des Dielektrikums eines Kondensators). Diese Ergänzung der Gleichung ist nicht nur für Schaltkreise erforderlich, sie hat den zusätzlichen Nebeneffekt, dass ein sich änderndes elektrisches Feld ein Magnetfeld erzeugt, selbst wenn sich NO-geladene Teilchen bewegen.

Dieser Term in der Gleichung ist der Grund, warum sich elektromagnetische Wellen (Licht) im Vakuum ausbreiten. Und warum das Laden eines Kondensators (in unseren Messungen) nicht von einem kontinuierlichen Stromfluss in einem Stromkreis zu unterscheiden ist.

Wir können buchstäblich die Sonne scheinen sehen, weil eine Kondensatorlücke in einem Stromkreis nicht von einem kontinuierlichen Strom durch einen Stromkreis zu unterscheiden ist.

Ein Kondensator blockiert tatsächlich Gleichstrom (DC). Es kann jedoch ein nennenswerter Wechselstrom (AC) fließen, wenn die Schwingungsperiode kleiner als die Ladezeit des Kondensators ist.

Das Pumpen von Elektronen in eine Platte eines Kondensators bewirkt, dass lose Elektronen auf der anderen Platte abgestoßen werden, wenn sie die anderen hereinkommenden Elektronen "sehen". Dies führt dazu, dass ein kurzer Elektronenimpuls aus einer Platte herausfließt, wenn Elektronen in die andere fließen und diese bevölkern Platte. Bei großen Platten ist dieser kurze Impuls lang und bei kleinen Platten ist der kurze Impuls kurz.

Das bedeutet, dass kurze Wechselstromimpulse problemlos durch einen Kondensator fließen können, während ein stationärer Gleichstrom vollständig blockiert wird.

Eine Kapazität (Kondensator) kann zunächst während des vorübergehenden Aufbaus der Ladung auf dem Kondensator beim Schließen des Stromkreises aufgeladen werden. Typischerweise:

$𝑡 = 𝑅.𝐶$

Mit:

$R$: Widerstand des Stromkreises.

$C$: Wert der Kapazität.

Tatsächlich ist es auch der Mechanismus hinter der Fähigkeit der Kapazität, die zeitvariable Komponente eines Signals (Strom, der durch die Änderung einer Ladung an den Seiten einer Kapazität induziert wird) durchzulassen, während die konstante Komponente davon blockiert wird .