Der Kondensator als Energiespeicher

Lehrpläne: AP2, A-level, Tle, Sek I/II

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Ziel

Weisen Sie nach, dass ein geladener Kondensator Energie speichert und eine Lampe betreiben kann.

Aufbau

Eine 6-V-Quelle, ein Schalter (geschlossen), ein 10-Ω-Widerstand und ein 0,47-F-Kondensator in Reihe (ein Kondensator dieser Kapazität ist ein Superkondensator: eine Baugruppe aus Zellen mit geringem Innenwiderstand, ausgelegt für 6 V und mehr); parallel zum Kondensator – eine Glühlampe 6 V / 0,5 W und ein Voltmeter. Beim Start des Versuchs ist der Kondensator entladen und beginnt sich aufzuladen.

Durchführung

1. Warten Sie etwa 20 s, bis die Anzeige des Voltmeters nicht mehr steigt, und notieren Sie sie.
2. Öffnen Sie den Schalter und beobachten Sie die Lampe und das Voltmeter.
3. Berechnen Sie aus der Spannung aus Schritt 1 die gespeicherte Energie \(W = C \cdot U^2 / 2\).

Erwartetes Ergebnis

Nach dem Start des Versuchs wird die Lampe heller, während sich der Kondensator auflädt; nach 15–20 s stellt sich an ihm eine Spannung von etwa 5,2 V ein – ein Teil der Spannung fällt am 10-Ω-Widerstand ab. Nach dem Öffnen des Schalters erlischt die Lampe nicht sofort, sondern wird im Lauf von etwa einer halben Minute allmählich dunkler: Der Kondensator versorgt sie, und die Spannung an ihm sinkt. Die gespeicherte Energie beträgt etwa 0,47 · 5,2² / 2 ≈ 6,3 J.

Fragen

1. Woher kommt die Energie, wenn der Schalter offen ist?
2. Wie ändert sich die Leuchtdauer, wenn Sie einen Kondensator mit doppelter Kapazität verwenden?

Antworten

1. Aus dem elektrischen Feld des geladenen Kondensators. Solange der Schalter geschlossen war, hat die Quelle in ihm etwa 6,3 J gespeichert; nach dem Öffnen des Schalters entlädt sich der Kondensator über die Lampe, und seine Spannung sinkt, während diese Energie im Glühfaden in Wärme und Licht umgewandelt wird.
2. Die Leuchtdauer verdoppelt sich auf etwa eine Minute. Bei denselben 5,2 V speichert der Kondensator die doppelte Energie, etwa 12,7 J, und die Lampe nimmt bei jeder Spannung denselben Strom auf, daher sinkt die Spannung halb so schnell; auch das Laden in Schritt 1 dauert doppelt so lange.