Wie kann ein Kondensator Ladung speichern und gleichzeitig Strom durchlassen?

Es wird häufig gesagt, dass Kondensatoren Ladung speichern. Wenn ich nur Wikipedia durchlese , finde ich:

Daniel Gralath war der erste, der mehrere Gläser parallel zu einer "Batterie" kombinierte, um die Ladungsspeicherkapazität zu erhöhen . Benjamin Franklin untersuchte das Leyden-Gefäß und kam zu dem Schluss, dass die Ladung auf dem Glas gespeichert war , nicht im Wasser, wie andere angenommen hatten.

Da die Leiter (oder Platten) nahe beieinander liegen, ziehen sich die entgegengesetzten Ladungen auf den Leitern aufgrund ihrer elektrischen Felder an, wodurch der Kondensator für eine bestimmte Spannung mehr Ladung speichern kann, als wenn die Leiter getrennt wären, wodurch der Kondensator eine große Kapazität erhält .

Hier ist Q die im Kondensator gespeicherte Ladung

Die Ladung wird in Coulomb gemessen, und ich weiß aus der Definition der Kapazität, dass, wenn ein 1F-Kondensator eine Spannung von 1 V hat, 1 C Ladung darin gespeichert ist. Wenn ein Coulomb 6,241 × 10 ¹⁸ Elektronen hat, sollten sich irgendwo 6,241 × 10 ¹⁸ Elektronen in diesem Kondensator befinden.

Aber jetzt überlegen Sie sich das. Wenn ich einen Kondensator als Last für eine Wechselspannungsquelle verwende, fließt etwas Strom (der genaue Betrag hängt von der Spannung, Frequenz und Kapazität ab):

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Ich weiß, dass rund um diesen Stromkreis Strom fließt, denn wenn ich eine Glühbirne auf beiden Seiten des Kondensators platziere, leuchtet sie auf. Aber wenn der Strom um diesen Stromkreis fließt, wie "speichert" der Kondensator Ladung? Mit anderen Worten, wie kann ich jemals Elektronen in den Kondensator einbringen, wenn der Strom um den Stromkreis fließt, was bedeutet, dass für alle Elektronen, die ich in den Kondensator einspeise, die gleiche Anzahl auf der anderen Seite herauskommt? Wenn ich keine Elektronen einführen kann, ohne sie herauszunehmen, wie kann der Kondensator sie dann speichern?

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 genau durch eine Abnahme der negativen Ladung auf der anderen Platte ausgeglichen. Wenn Strom in einen Anschluss eintritt, muss daher ein gleicher Strom den anderen Anschluss verlassen.

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

Es gibt eine isolierende Lücke im Kondensator, so dass einzelne Elektronen nicht von einem Anschluss zum anderen wandern können . Die Elektronen, die hineingehen, sind also nicht die gleichen, die auf der anderen Seite herauskommen! Stattdessen "stoppen" die ankommenden Elektronen auf einer Platte. Das elektrische Feld dieses Elektrons stößt jedoch ein Elektron von der anderen Seite ab, das aus der anderen Platte austritt und schließlich die Quelle erreicht. Wir haben eine komplette Schaltung, aber auf einer Platte bauen sich Elektronen und auf der anderen Löcher auf!

Jetzt gibt es eine Grenze, wie viele Elektronen sich auf der Platte ansammeln können. Elektronen stoßen sich gegenseitig ab. Je mehr es gibt, desto schwieriger ist es für einen anderen, zu haften. Wir brauchen etwas, das sie zwingt, zusammen 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 um einen Stromkreis zu bewegen.

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

Natürlich halten Elektronen nicht still, auch wenn sie auf einer Makroskala nirgendwo hingehen können. Sie alle stoßen sich gegenseitig ab und "prallen" vom elektrischen Feld des anderen ab. Wenn diese Felder zu intensiv 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.

Aufladen kann viele Dinge bedeuten. Wir können über das Aufladen eines Kondensators mit Energie sprechen, wie wir Bomben oder Prepaid-Kreditkarten aufladen. Wir können auch elektrische Ladung aufnehmen , die in Coulomb gemessen wird.

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

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

Das heißt, eine Ampere-Sekunde ist ein Coulomb. Das Integral des Stroms ist Ladung . Wenn jemand sagt, dass ein Kondensator "1C Ladung speichert", bedeutet dies nicht, dass sich 1C Elektronen im Kondensator befinden, sondern dass 1C Ladung durch den Kondensator gelangt 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, sammelt sich an den Klemmen eine Spannung an. Diese Spannung wird durch den Abstand zwischen den Platten getrennt und erzeugt so ein elektrisches Feld. In diesem Feld wird die Energie gespeichert. Induktoren hingegen speichern Energie mit Magnetfeldern.

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

C = Q / V.

Der Strom fließt weiter und die Ladung sammelt sich weiter an, bis der Stromkreis 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 wäre. 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 Klemmen und zur Kapazität ist.

Für jede Schaltung, die nicht Gleichstrom ist, ist eine bessere Beschreibung des Verhaltens von Kondensatoren:

I = C * (dV / dt)

Wenn Sie eine Sinus-Spannungsquelle haben, ändert sich daher der durch den Kondensator "fließende" Strom ständig und die akkumulierte Ladung ist niemals konstant. Stellen Sie sich vor, Sie kippen eine halb volle Wasserflasche hin und her. Das Wasser fließt nicht kontinuierlich wie Strom in einem Gleichstromkreis, aber es arbeitet immer noch. 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 Gebühr. Elektronen von einer Seite wandern den ganzen Weg um den Stromkreis zur anderen Seite, was durch eine externe Spannungsdifferenz hervorgerufen wird. 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 mehr auf die gleiche Weise von den Platten angezogen und beginnen sich zu mobilisieren. Wenn diese Elektronen unterwegs wie eine Glühbirne durch eine Last laufen, arbeiten sie und die Glühbirne schaltet sich ein. Somit fließt der Strom nicht tatsächlich um die Schaltung. Es schwappt einfach hin und her wie Wasser in einer Flasche. Jedoch, Alles, was man braucht, um die Glühbirne anzuzünden, sind bewegte Elektronen. Der Glühbirne ist es egal, in welche Richtung sie sich bewegt, 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 Induktivitäten aus (V = L * (di / dt)).

Bearbeiten:

Um die spezifische Frage zu beantworten: Wo ist 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. Wenn eine externe Spannung an einen Kondensator angelegt wird, fliehen die Elektronen mit einem höheren Potential von der Platte und werden von der Platte mit einem niedrigeren Potential angezogen. Diese akkumulierten Elektronen bilden auf dieser Platte eine negative Ladung, und die Abwesenheit von Elektronen auf der anderen Platte bildet eine positive Ladung. Die tatsächliche Größe jeder Gesamtladung Q wird durch die Spannung V und die Kapazität C bestimmt.