Der Plattenkondensator mit Dielektrikum.
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man die Java-Runtime-Environment. Das Laden und Aktivieren der Java-Applets benötigt etwas Zeit. Bitte nicht "Start" klicken, bevor das Applet vollständig geladen ist. |
1.) Ein Dielektrikum vergrößert die Kapazität.
Ein Kondensator wurde an einer
Quelle geladen und anschließend von der Quelle getrennt. Die Ladungsmenge
Q auf den Kondensatorplatten ist also nun konstant. Einen solchen Stoff zwischen den Platten nennt man ein Dielektrikum. |
2.) Funktion eines Dielektrikums.
Wie schafft es das Dielektrikum die Kapazität zu vergrößern und was passiert dabei im Dielektrikum?
Schaue Dir dazu das folgende Java-Applet an und arbeite die Punkte darunter durch.
Die Zahl der Ladungsvorzeichen ist ein Maß für die
Ladungsmenge. Die Zahl der (roten) Feldlinien ist ein Maß für Stärke des elektrischen Feldes. |
"Start" bewegt das Dielektrikum in den
Kondensator.
"Pause" stoppt die Animation.
Mit
"Reset" kann das Dielektrikum in die Anfangsstellung (außerhalb
des Kondensators) gebracht werden.
Aufgaben und Beobachtungen:
a) Was passiert im Dielektrikum?
Klicke zunächst "Start" und
beobachte, wie das Dielektrikum (gelb) in den Kondensator
eintaucht.
Wiederhole dann den Vorgang, aktiviere aber vorher das
Kontrollkästchen "Atome zeigen".
Die positive Ladung (rot) entspricht dem Atomkern, die negative Ladung (blau) entspricht den Elektronen.
- Was passiert in den Atomen, wenn das Dielektrikum in den geladenen Plattenkondensator kommt?
Beobachtung:
Außerhalb des Kondensators fallen die
Ladungsschwerpunkte zusammen.
Tritt das Dielektrikum aber in das Feld ein,
dann werden die Elektronen leicht von der positiv geladenen Platte (links)
angezogen.
Die Ladungsschwerpunkte fallen nun nicht mehr zusammen, sondern
das
Atom wird zu einem Dipol.
Dies ist genau das, was auch in
den Grieskörnern passiert, die man zum Nachweis der elektrischen
Feldlinien nutzt.
b) Hier stimmt doch was noch nicht!
In der Simulation, wie Du sie bisher gesehen hast, steckt noch ein logischer Fehler! Der Film oben zeigt doch, dass sich die Kapazität C
beim Einbringen des Kondensators vergrößert. |
Klicke nun auch noch das Kontrollkästchen bei "Polarisationsladung" an und klicke wieder "Start".
Beobachtung:
Während das
Dielektrikum in den Kondensator eingebracht wird, nimmt nun die Ladung auf den
Kondensatorplatten zu.
Im Dielektrikum entstehen an dessen Oberflächen
sogenannte Polarisationsladungen (blau gezeichnet).
Sie
entstehen, weil die Atome zu Dipolen werden (s.o.).
Im
Inneren des Dielektrikums steht jeweils ein positiv
geladenes Dipolende einem negativ geladenen Dipolende (des Atoms rechts
daneben) gegenüber.
Beide heben sich in Ihrer Wirkung auf.
An den Rändern hingegen fehlt dieses
"Partneratom". Hier wirken sich die Dipole aus.
Gegenüber
der positiv geladenen Kondensatorplatte entsteht negative Polarisationsladung,
gegenüber der negativ geladenen Platte entsteht
positive Polarisationsladung
Dielektrika sind meist
Nichtleiter. |
c) Konzentration auf das Wesentliche.
Schalte nun das Kontrollkästchen bei
"Atome zeigen" aus (Häkchen weg).
Nun wird nur
noch die Polarisationsladung angezeigt.
Zusätzlich werden aber nun die
elektrischen Feldlinien eingetragen, die zwischen den Ladungen auf den
Kondensatorplatten verlaufen (rot) und die Feldlinien, die zwischen den
Polarisationsladungen verlaufen (blau).
- Was kann man über die Richtung der roten und der blauen Feldlinien aussagen?
Die Zahl der Feldlinien ist ein Maß für die Feldstärke.
Stoppe die Animation zu mehreren beliebigen Zeitpunkten und vergleiche die
Anzahl der roten und der blauen Feldlinien.
Weil sich eine blaue und eine
rote Feldlinie gegenseitig aufheben (sie haben verschiedene Richtungen!),
ist
die Differenz von roten und blauen Feldlinien die Gesamtfeldstärke.
- Was kann man feststellen, wenn man die Zahlen der roten und blauen Feldlinien vergleicht?
- Was bedeutet dies für die gesamte Feldstärke im Kondensator?
- Warum muss dies so sein? (Denke an E = U / d)
3.) Das Dielektrikum - quantitativ betrachtet.
Mit einem Dielektrikum passt (bei konstanter Spannung U)
mehr Ladungen QK auf die Kondensatorplatten.
Man definiert nun
eine
Materialkonstante, die Dielektrizitätszahl
εr:
QDielektrikum /
QVakuum = εr
oder
QDielektrikum = εr
* QVakuum |
Ist die
Dielektrizitätszahl also z.B.
εr = 3 dann bedeutet dies, dass mit diesem
Dielektrikum die Kapazität 3-mal so groß ist wie mit Vakuum zwischen
den Platten.
Es bedeutet auch, dass mit diesem Dielektrikum 3-mal so viel
Ladung auf die
Kondensatorplatten geht.
Dies kannst Du im folgenden Applet ausprobieren.
Fragen und Aufgaben:
Ein Ladungszeichen möge einer Ladung von 1 nC entsprechen. Mit Vakuum zwischen den Platten trägt jede Kondensatorplatte also die Ladung 2 nC. Wir nennen sie die Ladung Q0
Wähle die verschiedenen Dielektrizitätszahlen aus (Auswahlfeld
Dielektrizitätszahl) und ergänze folgende Tabelle:
(Drücke
dabei die Ladung auf den Kondensatorplatten und die Polarisationsladung als
Vielfaches von Q0 aus.
εr | Ladung Kondensatorplatte QK | Polarisationsladung QP |
1 | 2 nC ( 1 * Q0) | 0 nC |
2 | 4 nC ( 2 * Q0 ) | ( * Q0 ) |
3 | ||
4 | ||
5 |
- Welcher Zusammenhang gilt für die Ladung auf der Kondensatorplatte QK und der Dielektrizitätszahl εr?
- Kannst Du auch einen allgemeinen Zusammenhang zwischen der Menge der Polarisationsladung QP, der Dielektrizitätszahl εr und der Ladung Q0 angeben?
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Sie müssen dazu die gepackte Datei (dielektrikum.zip) herunterladen und
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Das Paket enthält die Internet-Seite und alle darauf befindlichen Bilder
und den Film.
Die nötigen Java-Achive sind ebenfalls enthalten.
Ihr Browser muss aber genauso für die Wiedergabe von Javascript und Java eingerichtet sein.
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Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets von Wolfgang
Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA (Copyright Hinweise) |