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Lexikon der Physik: Kondensator

Kondensator, 1) Elektrostatik, Elektrotechnik: Kapazität, Bauteil, das der Speicherung von elektrischer Ladung dient. In seiner Grundform besteht ein Kondensator aus zwei durch ein (isolierendes) Dielektrikum getrennten elektrischen Leiteranordnungen, z.B. Metallplatten, die Elektroden, Belegungen oder Beläge gennant werden. Formal kann auch ein isolierter Leiter (Konduktor) als Kondensator mit zweitem Belag im Unendlichen aufgefaßt werden.

Je nach geometrischer Anordnung unterscheidet man u.a. Platten-, Kugel- und Zylinderkondensatoren. Die Ladungsmenge Q, die pro Spannungseinheit an den Belägen des Kondensators aufgenommen werden kann, heißt Kapazität C des Kondensators: C = Q / U (besonders in der Elektrotechnik wird das Wort "Kapazität" gleichzeitig als Synonym für Kondensator gebraucht). Beim Plattenkondensator (A: Fläche, d: Plattenabstand, |E| = E = Q / ε0A: elektrische Feldstärke zwischen den Platten, senkrecht zu den Platten) gilt U = E · d; daraus ergibt sich C = ε0A / d. Zwischen den Kondensatorbelägen wird das E-Feld verstärkt, im Außenraum verschwindet es bei idealen Kondensatoren (Abb. 1). Bei realen Kondensatoren kommt es zu Randeffekten (Abb. 2), diese können durch Verwendung eines Schutzringes reduziert werden (Schutzringkondensator).

Bei einer Parallelschaltung von n Kondensatoren mit Kapazitäten Ci ergibt sich die Gesamtkapazität C als Kehrwert der Summe der inversen Einzelkapazitäten:



(Abb. 3), bei Reihenschaltung als Summe der Einzelkapazitäten:



(Abb. 4).

Kondensatoren sperren Gleichstrom; bei Wechselstrom verhält sich ein idealer Kondensator wie ein rein kapazitiver Widerstand, d.h. es kommt zu keinem Leistungsverlust, sondern nur zu einer Phasenverschiebung von 90° (Spannungsabfall läuft dem Strom um 90° nach). Der rein imaginäre Blindwiderstand (Reaktanz, bei Kondensatoren auch: Kapazitanz) beträgt XC = 1 / (iωC), der Blindleitwert (Suszeptanz) BC = (iωC). Reale Kondensatoren haben immer auch einen Wirkwiderstand (Resistanz) und eine Eigeninduktivität L (Wechselstromwiderstand). Zusammen mit ohmschen Widerständen und Spulen lassen sich mit Kondensatoren elektrische Schwingkreise aufbauen, die in Forschung und Technik eine überwältigende Zahl von Anwendungen gefunden haben.

Historisch von Bedeutung sind als Kondensatoren die Leidener Flasche, die Kirchhoffsche Potentialwaage und der Schwebkondensator, mit dem der Millikan-Versuch zur Bestimmung der Elementarladung durchgeführt wurde. Auch verschiedene elektrische Meßinstrumente, z.B. Elektrometer, können als Kondensatoren aufgefaßt werden. Moderne Kondensatoren besitzen z.B. Dielektrika aus Papier und können aufgerollt und damit sehr kompakt ausgeführt werden (Blockkondensator, Ölpapierkondensator), eine weitere wichtige Bauart ist der Elektrolytkondensator. Minaturisierte Kondensatoren sind in der Mikroelektronik allgegenwärtig. In der Meßtechnik haben außerdem Kondensatoren Bedeutung als Kapazitätsnormale (Normalkondensatoren).

2) Motor- und Vakuumtechnik: Vorrichtung zur Herabsetzung des Dampfdrucks eines Arbeitsfluids bis zur Kondensation. Bei Dampfmaschinen wird der Abdampf im Kondensator mit Kühlwasser gekühlt, das gebildete Kondensat wird abgepumpt und meist wieder als Kesselspeisewasser verwendet; hierdurch erhöht sich die Leistung der Maschine. In der Vakuumtechnik wird die mit der Kondensation verbundene Pump- bzw. Absaugwirkung benutzt (Kondensationspumpe). Am weitesten verbreitet ist der Rohrschlangenoberfächenkondensator (siehe Abb. 5 ), der einfache Herstellung und große Austauschflächen (≈ m2) mit einer hohen Dichtheit und langen Lebensdauer. Ebenfalls einfach in Herstellung und Anwendung und darüber hinaus mit guter Ausnutzung des Kühlmitteles arbeiten Mischkondensatoren (siehe Abb. 6), bei denen das Kühlmittel direkt dem Arbeitsfluid zugeführt wird.



Kondensator 1: Jede der geladenen Ebenen erzeugt ein abstandsunabhängiges elektrisches Feld E1,2. Im Innenraum verstärken sich die beiden Felder, im Außenraum heben sie einander auf.



Kondensator 2: Das elektische Feld eines geladenen Plattenkondensators (ohne Angabe der Feldrichtung).



Kondensator 3: Bei Parallelschaltung addieren sich die Ladungen und damit die Kapazitäten.



Kondensator 4: Bei Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, mithin die Kehrwerte der Kapazitäten.



Kondensator 5: Rohrschlangenoberflächenkondensator; 1: Dampfeintritt, 2: Restgasaustritt, 3: Kondensataustritt, 4: Kühlmitteleintritt, 5: Kühlmittelaustritt.



Kondensator 6: Mischkondensator.

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Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
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Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
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Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
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Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
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Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Georg Hoffmann, Gif-sur-Yvette, FR [GH1] (A) (29)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
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Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
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Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
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Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Jens Kreisel, Grenoble [JK2] (A) (20)
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Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
Prof. Dr. Siegmar Roth, Stuttgart [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
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Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
Prof. Dr. Martin Dressel, Stuttgart (A) (Essay Spindichtewellen)
Dr. Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
Dr. Dietrich Einzel, Garching (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
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Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
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Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
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Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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