Wie kann ein Kondensator Ladung speichern und gleichzeitig Strom leiten?

Es ist einfach. Ein Kondensator speichert keine Ladung, sondern Energie . Die Nettoladung in einem vollständigen Kondensator (anstatt eine einzelne Platte oder den Isolator zu berücksichtigen) ändert sich nie. Eine Zunahme der negativen Ladung auf einer Platte wird durch eine Abnahme der negativen Ladung auf der anderen Platte genau ausgeglichen. Wenn also Strom in einen Anschluss eintritt, muss ein gleicher Strom den anderen Anschluss verlassen.

Das ist eine Art Cartoon-Version, aber es funktioniert in meinem Kopf.

Es gibt eine isolierende Lücke im Kondensator, sodass einzelne Elektronen nicht von einem Anschluss zum anderen wandern können. Die Elektronen, die hineingehen, sind also nicht dieselben, die auf der anderen Seite herauskommen! Stattdessen "stoppen" die einfallenden Elektronen auf einer Platte. Aber das elektrische Feld dieses Elektrons stößt ein Elektron von der anderen Seite ab, das aus der anderen Platte austritt und schließlich die Quelle erreicht. Wir haben einen vollständigen Stromkreis, aber auf einer Platte bauen sich Elektronen auf und auf der anderen Löcher!

Nun, es gibt eine Grenze dafür, wie viele Elektronen sich auf der Platte aufbauen können. Elektronen stoßen sich gegenseitig ab, je mehr also vorhanden sind, desto schwieriger ist es für ein anderes, daran zu haften. Wir brauchen etwas, das sie dazu zwingt, gemeinsam auf dem Teller zu bleiben. Das ist Spannung. Umgekehrt ist die Tatsache, dass die Elektronen versuchen, sich gegenseitig abzustoßen, auch eine Spannung, eine Kraft, die versucht, Elektronen in einem Stromkreis zu bewegen.

Wenn nun ein ankommendes Elektron eines von der anderen Platte löst, hat das abgehende Elektron weniger Energie als das ankommende, was den Spannungsabfall über dem geladenen Kondensator erklärt.

Natürlich halten Elektronen nicht still, auch wenn sie im Makromaßstab nirgendwo hingehen können. Sie stoßen sich alle gegenseitig ab und "prallen" vom elektrischen Feld des anderen ab. Wenn diese Felder zu stark werden (die Spannung wird zu hoch), können die Wechselwirkungen dazu führen, dass ein Elektron die dielektrische Barriere zwischen den Platten durchdringt. Wenn die Spannung an den Platten zu hoch wird, steigt der Leckstrom der Kappe. Und wenn das zu lange dauert, wird das Dielektrikum beschädigt, und Sie haben keine sehr gute Kappe mehr.

Ladung kann vieles bedeuten. Wir können über das Aufladen eines Kondensators mit Energie sprechen, wie wir Bomben oder Prepaid-Kreditkarten aufladen. Wir können auch von der elektrischen Ladung ausgehen, die in Coulomb gemessen wird.

Etwa 6,241 × 10 ¹⁸ Elektronen machen tatsächlich 1 C Ladung. Wenn Leute jedoch über Ladung in einem Kondensator sprechen, sprechen sie nicht über Elektronen in einem Kondensator, wie man über Kekse in einer Keksdose sprechen würde. Sie reden über etwas anderes. Es ist verwirrend, aber es ist, was sie trotzdem tun.

Worüber sie eigentlich sprechen, ist das Integral des Stroms. Das heißt, der mittlere Strom, der geflossen ist, mal wie lange er geflossen ist. Wenn der Strom in Ampere und die Zeit in Sekunden gemessen wird, dann erhalten Sie, wenn Sie den Strom nehmen und ihn mit der Zeit multiplizieren, eine in Ampere-Sekunden gemessene Sache. Und wenn Sie sich erinnern, bedeutet ein Ampere ein Coulomb pro Sekunde. Daher:

Das heißt, eine Amperesekunde ist ein Coulomb. Das Integral des Stroms ist Ladung . Wenn also jemand sagt, dass ein Kondensator "1 C Ladung speichert", bedeutet dies nicht, dass sich 1 C Elektronen im Kondensator befinden, sondern dass 1 C Ladung durch den Kondensator geflossen ist. Der Kondensator "speichert" so viel Ladung in dem Sinne, dass er jetzt genug Energie enthält, um 1C Ladung in die andere Richtung zurückzuschieben.

Es ist besser, sich einen Kondensator als Energiespeicher vorzustellen als als Ladungsspeicher. Wenn Strom in einen Kondensator fließt, baut sich an den Anschlüssen eine Spannung auf. Diese Spannung wird durch den Abstand zwischen den Platten getrennt und erzeugt so ein elektrisches Feld. In diesem Feld wird die Energie gespeichert. Induktivitäten hingegen speichern Energie mit Magnetfeldern.

Wenn der Strom fließt, sammeln sich entgegengesetzte Ladungen auf jeder gegenüberliegenden Platte des Kondensators an. Die Elektronen versuchen, den Stromkreis zu umrunden, aber sie werden an der Platte des Kondensators gestoppt und hinterlassen auf der einen Seite eine negative Ladung und auf der anderen eine positive Ladung. Die Größe jeder Ladung kann durch die Gleichung beschrieben werden:

C = Q/V

Der Strom fließt weiter und die Ladung sammelt sich weiter an, bis die Schaltung mit dem Kondensator stabil ist. Wenn die Schaltung beispielsweise einfach eine Batterie, ein Widerstand und ein Kondensator in Reihe wäre, würde der Strom weiter fließen, bis die Kondensatorspannung gleich der Batteriespannung ist. Somit erscheint in einem stationären Gleichstromkreis, in dem sich keine Ströme ändern, ein Kondensator als offener Stromkreis, wobei die akkumulierte Ladung proportional zur Spannung an den Anschlüssen und der Kapazität ist.

Für jeden Stromkreis, der kein Gleichstrom ist, ist eine bessere Möglichkeit, das Verhalten von Kondensatoren zu beschreiben, wie folgt:

Ich = C*(dV/dt)

Wenn Sie also eine Sinusspannungsquelle haben, ändert sich der Strom, der "durch" den Kondensator fließt, ständig und die akkumulierte Ladung ist niemals konstant. Stellen Sie sich vor, Sie kippen eine halbvolle Wasserflasche hin und her. Das Wasser fließt nicht kontinuierlich wie Strom in einem Gleichstromkreis, aber es verrichtet dennoch Arbeit. Wenn Sie ein bizarres Turbinengerät in der Wasserflasche hätten, würde es sich ständig drehen und nur anhalten, um die Richtung zu ändern, wenn die Flasche in die andere Richtung gekippt wird.

Schließlich werden in einem Gleichstromkreis gleiche und entgegengesetzte Ladungen auf jeder Seitenplatte des Kondensators gespeichert. Der Kondensator speichert überhaupt keine Elektronen. Es speichert eine Ladung. Elektronen von einer Seite wandern den ganzen Weg um den Stromkreis herum zur anderen Seite, provoziert durch eine externe Spannungsdifferenz. Das Ergebnis ist eine Konzentration von Elektronen auf der einen Seite und eine Abwesenheit auf der anderen Seite, eine Ladung. In einem Wechselstromkreis tritt dasselbe Phänomen auf, ändert sich jedoch ständig. Sobald sich die Versorgungsspannung ändert, werden die Elektronen nicht auf die gleiche Weise von den Platten angezogen und beginnen sich zu mobilisieren. Wenn diese Elektronen auf dem Weg zufällig durch eine Last, wie eine Glühbirne, gehen, werden sie arbeiten und die Glühbirne wird angehen. Somit fließt der Strom nicht wirklich um die Schaltung herum. Es schwappt einfach hin und her wie Wasser in einer Flasche. Jedoch, alles, was es braucht, um die Glühbirne zum Leuchten zu bringen, sind bewegte Elektronen. Der Glühbirne ist es egal, in welche Richtung sie sich bewegen, und Ihre Augen können die Richtungsänderung nicht wahrnehmen, solange die Schaltgeschwindigkeit schnell genug ist.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass es sich um ideale Kondensatoren handelt. In der Praxis sehen Kondensatoren bei ausreichend hohen Frequenzen wie Induktoren aus (V = L*(di/dt)).

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Um die konkrete Frage zu beantworten: Wo wird die Ladung in einem Kondensator gespeichert?

Innerhalb eines vollständigen Kondensators wird keine Nettoladung gespeichert. Unter Verwendung des Parallelplattenmodells befinden sich jedoch gleiche und entgegengesetzte Ladungen der Größe Q auf jeder der Platten. Beim Anlegen einer äußeren Spannung an einen Kondensator flüchten die Elektronen von der Platte mit höherem Potential und werden von der Platte mit niedrigerem Potential angezogen. Diese angesammelten Elektronen bilden auf dieser Platte eine negative Ladung, und die Abwesenheit von Elektronen von der anderen Platte bildet eine positive Ladung. Die tatsächliche Größe jeder Gesamtladung Q wird durch die Spannung V und die Kapazität C bestimmt.