Parallelplattenkondensator: Ladung und Energiespeicherung
1 · Vorhersagen
Ein Parallelplattenkondensator hat eine feste Geometrie (Fläche und Spalt). Wenn Sie die Spannung darüber erhöhen, wächst die gespeicherte Energie dann direkt proportional oder schneller?
- Die gespeicherte Energie wächst schneller als die Spannung – es hängt vom Quadrat der Spannung ab.
- Die gespeicherte Energie ist direkt proportional zur Spannung.
- Gespeicherte Energie ist nicht von der Spannung abhängig.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie das Preset „Parallelplatten“ und drücken Sie Zurücksetzen. Plattenfläche = 0.05 m², Abstand = 2 mm.
- Aktivieren Sie die Anzeige von Ladung und gespeicherter Energie.
- Stellen Sie die Plattenspannung für jeden Versuch ein und notieren Sie die gespeicherte Ladung und Energie.
3 · Daten sammeln
| Spannung V (V) | Kapazität C (pF) | Gespeicherte Ladung Q (nC) | Gespeicherte Energie U (nJ) |
|---|---|---|---|
| 6.00 | |||
| 12.00 | |||
| 18.00 |
Tragen Sie die gespeicherte Energie U (y-Achse) gegen die Spannung V (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf. Ist die Kurve gerade oder krümmt sie sich nach oben?
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch C = ε₀A/d mit A = 0.05 m², d = 0.002 m (in jedem Versuch gleich), dann Q = CV und U = ½CV². Vergleichen Sie alle drei mit der Tabelle.
- Erklären Sie anhand von U = ½CV², warum eine Verdoppelung der Spannung die gespeicherte Energie vervierfacht, anstatt sie zu verdoppeln – obwohl sich die gespeicherte Ladung nur verdoppelt.
5 · Vertiefen
- Die Kapazität C = ε₀A/d hängt nur von der Plattengeometrie ab, nicht von der angelegten Spannung. Erklären Sie, warum ein physikalisch größerer Kondensator (größeres A oder kleineres d) bei gleicher Spannung mehr Ladung speichern kann.
- Ein medizinischer Defibrillator lädt einen Kondensator auf eine hohe Spannung auf und entlädt ihn dann in Sekundenbruchteilen durch den Patienten. Erklären Sie anhand von U = ½CV², warum Ärzte eine hohe Spannung statt einer hohen Kapazität nutzen, um die benötigte Energie schnell abzugeben.
Die Physik hinter diesem Experiment
Parallelplattenkapazität
Zwei parallele leitende Platten, die durch einen Spalt getrennt sind, speichern Ladung proportional zu ihrer Fläche und umgekehrt zu ihrem Abstand: C = ε₀A/d. Die gespeicherte Energie beträgt U = ½CV² = ½QV.