Wie funktionieren Kondensatoren?

Angenommen, Sie haben eine Batterie mit einem Draht, der den Minus- und den Pluspol verbindet. Anfänglich (im Übergangszustand) ist das elektrische Feld nicht gleichmäßig und steht senkrecht zur Oberfläche des Querschnitts des Drahts.

Dies zwingt die Oberflächenladungen dazu, sich neu anzuordnen, und die Oberflächenladungen bewegen sich weiter, bis das elektrische Feld im Draht gleichmäßig ist und das elektrische Feld an jedem Punkt senkrecht zum Querschnitt des Drahtes an diesem Punkt ist. Dies ist der stationäre Zustand, und zwar wenn Strom fließt.

Stellen Sie sich nun eine Schaltung vor, die aus einer Batterie und einem Kondensator besteht, die an beide Anschlüsse angeschlossen sind. Könnte mir jemand erklären, wie der Kondensator mit den oben diskutierten Konzepten der Oberflächenladungsumverteilung geladen wird?

Bitte beachten Sie, dass ich nicht nach einer allgemeinen Erklärung suche, sondern nach einer Erklärung, die zeigt, wie sich die Oberflächenladungen während des Übergangszustands neu verteilen, um sicherzustellen, dass das elektrische Feld senkrecht zum Draht ist, was zur Aufladung des Kondensators führt.

Die ersten drei Google-Ergebnisse haben mehr als zufriedenstellende Erklärungen. Sie sollten dies , dies und dies überprüfen
@PranavHosangadi Nein, tun sie nicht. Ich bitte ausdrücklich um eine Erklärung, die das Konzept der Oberflächenladung verwendet. Keiner der Links tut das.
Downvoter, möchten Sie das erklären?
Das YouTube-Video von 00:30 bis 00:50 macht es ziemlich gut, denke ich
@PranavHosangadi Was? Nein tut es nicht. Es ist nur eine Animation von sich bewegenden Elektronen. Ich suche nach einer Erklärung, die zeigt, wie sich die Oberflächenladungen während des Übergangszustands neu verteilen und wie dies zur Aufladung des Kondensators führt ...
Bewegte Elektronen = Umverteilung der Oberflächenladung. Das ist alles, was zu einem Kondensator gehört
Bedenken Sie Folgendes: Elektronen werden auf der Platte, die mit dem negativen Anschluss verbunden ist, dichter und auf der positiven Platte weniger dicht.
@PranavHosangadi Die Oberflächenladung verteilt sich so, dass das Feld immer senkrecht zur Oberfläche des Drahtes steht. Wie ergibt sich das beim Aufladen des Kondensators?
dfg, fast jeder physikalische Kondensator ist aufgrund seiner Konstruktion im Wesentlichen eine offene Übertragungsleitung. Ich bin nicht daran interessiert, "Sie durch das zu führen". Machen Sie diesen Spaziergang selbst; es wird viel lohnender sein.
@AlfredCentauri Das ist in Ordnung, aber könnten Sie mir eine grundlegende Erklärung geben und mir die Details überlassen? Weil ich seit ein paar Tagen versuche, das herauszufinden, ohne Erfolg. Ich kann das Konzept der Umverteilung der Oberflächenladungen, um das elektrische Feld senkrecht zum Draht zu machen, nicht mit dem Konzept der Kondensatorladung konsolidieren, um die gleiche Spannung wie die Batterie zu haben.
Ich bin da bei @AlfredCentauri. Dies ist die gleiche Physik, die Sie in jedem anderen Leiterstück finden, was bedeutet, dass die Details ermüdend und langweilig sind , es sei denn, Sie können den Wunsch nach einer detaillierten mikroskopischen Analyse dieser Geometrie im Hinblick auf etwas Interessantes wecken, das daraus zu lernen ist. Auch die reine Anzahl an Fragen, die Sie zur selben Physik gestellt haben, hilft nicht weiter. Ich kann mir vorstellen, dass die Leute möchten, dass Sie das, was Sie bisher gelernt haben, verallgemeinern; Übernimm etwas Verantwortung dafür, damit zu laufen.
@dmckee Glaub mir, ich habe es versucht. Tut mir leid, wenn es sich so anfühlt, als würde ich Sie nur um die Antwort bitten, ohne mich selbst anzustrengen. Ich frage nur, weil ich eine Weile damit gekämpft habe, selbst nachdem ich die Antworten, die Sie bereits gegeben haben, durchgesehen habe (was ich wirklich schätze).

Antworten (1)

Wenn Sie den Kondensator zunächst an die Batterie anschließen, erzeugt diese Batterie ein elektrisches Feld innerhalb des Kabels. Auf der Seite des Minuspols zeigt dieses Feld senkrecht zum Querschnitt des Kabels zum Pol der Batterie (elektrisches Feld zeigt in Richtung negative Ladung). Auf der Seite des Pluspols zeigt das Feld senkrecht zum Querschnitt des Kabels vom Pol der Batterie weg. Dies liegt daran, dass die Batterie die elektrische Ladung so anordnet, dass der Minuspol elektronenreich und der Pluspol elektronenarm ist.

Dieses elektrische Feld bewirkt nun, dass sich Ladungen bewegen. Auf der Seite des Minuspols drückt das elektrische Feld die Elektronen von der Batterie weg und zu einer Seite des Kondensators. Auf der Seite des positiven Anschlusses zieht das Feld Elektronen aus dem Kondensator und in Richtung der Batterie. Wenn dies geschieht, sehen wir, dass die Seite des Kondensators, die mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist, Elektronen ansammelt (negativ wird), und die Seite des Kondensators, die mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist, Elektronen verliert (positiv wird). Aber was macht diese Ladungsbewegung mit dem Feld? Wenn sich Elektronen auf der negativen Seite des Kondensators ansammeln, das Feld innerhalb des Drahtes nimmt ab (da jetzt aufgrund der Akkumulation der Ladungen eine geringere Potentialdifferenz zwischen dem Minuspol der Batterie und der Minusseite des Kondensators besteht). Elektronen werden jedoch weiterhin zur negativen Seite des Kondensators gedrückt, bis dieses Feld auf Null abfällt. Dies geschieht, wenn sich genügend Ladungen auf der negativen Seite des Kondensators ansammeln, um die negative Kondensatorplatte auf das gleiche Potential wie den negativen Anschluss der Batterie zu bringen. Durch das gleiche Argument werden Elektronen weiterhin von der positiven Seite des Kondensators weggezogen, bis das Feld auf Null gebracht wird, wenn die positive Kondensatorplatte das gleiche Potential wie der positive Anschluss der Batterie erreicht. Elektronen werden jedoch weiterhin zur negativen Seite des Kondensators gedrückt, bis dieses Feld auf Null abfällt. Dies geschieht, wenn sich genügend Ladungen auf der negativen Seite des Kondensators ansammeln, um die negative Kondensatorplatte auf das gleiche Potential wie den negativen Anschluss der Batterie zu bringen. Durch das gleiche Argument werden Elektronen weiterhin von der positiven Seite des Kondensators weggezogen, bis das Feld auf Null gebracht wird, wenn die positive Kondensatorplatte das gleiche Potential wie der positive Anschluss der Batterie erreicht. Elektronen werden jedoch weiterhin zur negativen Seite des Kondensators gedrückt, bis dieses Feld auf Null abfällt. Dies geschieht, wenn sich genügend Ladungen auf der negativen Seite des Kondensators ansammeln, um die negative Kondensatorplatte auf das gleiche Potential wie den negativen Anschluss der Batterie zu bringen. Durch das gleiche Argument werden Elektronen weiterhin von der positiven Seite des Kondensators weggezogen, bis das Feld auf Null gebracht wird, wenn die positive Kondensatorplatte das gleiche Potential wie der positive Anschluss der Batterie erreicht.

Beim Lesen der obigen Kommentare schien mir, dass dies die Art von Erklärung ist, nach der Sie vielleicht suchen. Ich hoffe, es ist hilfreich.

Danke! Wenn ich das richtig verstehe, baut sich die Ladung auf dem Kondensator auf, um das Feld von der Batterie zu neutralisieren, was dazu führt, dass das Feld im Draht Null ist. Aber es gibt noch andere mögliche Ladungsverteilungen, die dazu führen, dass das Feld im Draht null wird.
Zum Beispiel könnten Sie einen Ladungsaufbau an den Klemmen der Batterie haben (positiver Ladungsaufbau am Minuspol und negativer Ladungsanschluss am Pluspol) – dies würde auch dazu führen, dass das Feld Null ist. Woher wissen wir also, dass der Ladungsaufbau auf den Kondensatorplatten immer die Ladungsverteilung ist, die erzeugt wird, um das Feld zu neutralisieren?
Ich meinte nicht in der Batterie, ich meine nicht im Kabel - am Rand des Kabels, das mit dem Terminal verbunden ist. Ich hatte den Eindruck, dass die Batterie nur eine negative und positive Ladung in der Batterie aufrechterhält, aber keine Kontrolle darüber hat, was sich außerhalb befindet.
Tut mir leid, ich folge nicht. Warum würden die positiven Ladungen vom Minuspol weggedrückt ? Die positiven Ladungen müssten nur die 9V überwinden, wenn sie am Pluspol wären? Würde es nicht vom Minuspol angezogen werden?
Ich verstehe. Aber dann gäbe es kein Problem mit dem Ladungsaufbau-Szenario, das ich gegeben habe, richtig? Weil sich am Minuspol eine positive Ladung und am Pluspol eine negative Ladung aufbauen würde, so dass keine Ladung irgendein Potential überwinden müsste. Irre ich mich?
Ah, ich entschuldige mich tausendmal, ich habe Ihren Kommentar falsch gelesen und versucht, eine Frage zu beantworten, die Sie nicht gestellt haben. Mein Fehler.
Sie haben absolut Recht, dass sich positive Ladungen am Minuspol und negative Ladungen am Pluspol ansammeln. Das ist eigentlich das, was ich in meiner ursprünglichen Antwort gesagt habe. Positive Ladungen sammeln sich am Minuspol an und belassen die Kondensatorplatte auf dieser Seite mit überschüssiger negativer Ladung. Am positiven Anschluss sammeln sich negative Ladungen an, wodurch die Kondensatorplatte auf dieser Seite mit überschüssiger positiver Ladung belassen wird. Nur habe ich die Frage nur in Bezug auf das Bewegen von Elektronen beantwortet, nicht das Bewegen positiver und negativer Ladungen.
Ah ich sehe. Wenn es zu einem Ladungsaufbau an den Anschlüssen und zu einem Ladungsaufbau auf den Kondensatorplatten kommt, hat der Kondensator dann nicht eine niedrigere Spannung als die Batterie? Da das Feld nicht nur durch den Kondensator, sondern auch durch den Ladungsaufbau an den Anschlüssen auf Null gebracht wird, sollte es nicht ausreichen, den Kondensator auf weniger als 9 V aufzuladen, um das Feld zu neutralisieren?
In Wirklichkeit ja. Wenn wir sagen, dass die Potenziale genau gleich sind, betrachten wir einen idealen Fall, in dem kein Widerstand im Draht vorhanden ist, sodass am positiven Anschluss der Batterie ein Potenzial von genau 9 V und an der positiven Kondensatorplatte genau 9 V anliegen, ohne Spannungsabfall dazwischen, d. h. alle Ladungen sammeln sich entweder vollständig auf der Kondensatorplatte oder vollständig am Pol der Batterie an. Technisch ist dies nicht ganz richtig, aber es ist eine sehr gute Annäherung.
Warum sollte sich in einem Draht ohne Widerstand kein Aufbau bilden? Warum sollte dies auch eine gute Annäherung sein? Ich sehe keinen Grund, warum sich auf den Kondensatorplatten mehr Ladung aufbauen sollte als in der Nähe der Anschlüsse.
Es ist eine gute Annäherung, da ein Draht im Vergleich zu allem anderen in der Schaltung einen sehr sehr kleinen Widerstand hat. In einem echten Draht ist Arbeit erforderlich, um Ladungen durch den Draht zu "drücken". Sobald sie den Kondensator erreichen, haben sie ein etwas niedrigeres Potential als am Anschluss der Batterie. Somit wird die Situation an diesem Punkt wirklich zu einer ganz anderen Frage. Aber im Idealfall gehen wir grundsätzlich davon aus, dass sich alle Ladungen auf dem Anschluss und auf den Kondensatorplatten ansammeln, denn im Idealfall hat der Draht keine Auswirkung auf den Rest der Schaltung.
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