Fragen zu Energiespeichern!

[KlausM]

Hallo Leute!
Ich habe in wenigen Tagen eine mündlich Prüfung und wollte vorab eine paar Unklarheiten hinterfragen.
Wäre echt super wenn mir der ein oder andere antworten könnte.
Hier die Fragen:

Ein gewöhnlicher Kondensator speichert seine Ladung elektrostatisch. Warum sagt man, dass ein Kondensator eine sehr hohe Selbstentladung hat? "Fließen" die Ladungsträger wieder zurück in die Leitung? Normalerweise ist doch die Energie solange gespeichert, bis ein Verbraucher angeschlossen wird (Kondensator wird mit DC geladen )

Was versteht man genau unter der Leistungsdichte bzw. Energiedichte die bei Akkus z.B angegeben wird?

Worin besteht der wesentliche Unterschied zwischen Kondensatoren und Ultracaps? Und wie sieht es bei denen mit der Selbstentladung aus?

Würde mich sehr freuen, wenn die Fragen beantwortet werden könnten. Mein Problem liegt oft immer in der Vorstellungskraft. Also wie z.B Elektronen auf eine Platte von einem C fließen und dort bleiben bis sie "gebraucht" werden.

Gruß Klaus

[anders]

Warum sagt man, dass ein Kondensator eine sehr hohe Selbstentladung hat?

Ich weiss nicht wer das behauptet.
Bestimmt hat derjenige noch nie an einer Bildröhre tagelang nach dem Abschalten eine geschossen gekriegt, und bestimmt kennt er auch keine EPROMs oder Flash-Memories, die alle darauf vertrauen, dass die Ladung eine winzigen Kondensators über Jahrzehnte erhalten bleibt, wenn man sie nicht gewaltsam entfernt.

Leistungsdichte bzw. Energiedichte

Mit Dichte oder Wichte bezeichnet man bekanntlich die Masse bzw. das Gewicht pro Volumen.
Ebenso gibt man hier die entnehmbare Leistung / Volumen an.
Bei Kondensatoren kann die Leistungsdichte wegen des geringen Innenwiderstands sehr hoch sein, so dass es reicht Kontakte zu verschweissen, während eine Taschenlampenbatterie eine viel höhere Energiedichte (Wattstunden / Liter) hat, aber eine weitaus geringere Leistungsdichte (Watt / Liter) hat.

Worin besteht der wesentliche Unterschied zwischen Kondensatoren und Ultracaps

Ultracaps oder Goldcaps sind Herstellerbezeichnungen. Die neutrale Bezeichnung ist Doppelschichtkondensator.
Im Aufbau erinnern sie an Elektrolytkondensatoren, aber sie besitzen tatsächlich kein Dielektrikum (Al2O3 bei Elkos), sondern die Energie wird in der sogenannten Helmholtz'schen Doppelschicht gespeichert. Wiki sollte einiges darüber wissen.
Sie haben eine für Kondensatoren sehr hohe Energiedichte, aber die Leistungsdichte ist eher mäßig, weil man sie nicht schneller als in einigen Sekunden entladen kann.
Weil es sich bei der Ausbildung der Doppelschicht um einen elektrochemischen Vorgang handelt, ist die maximale Spannung auch auf ganz wenige Volt begrenzt.
Wenn man diese Spannung überschreitet, setzt Stromfluss durch Elektrolyse ein und der Kondensator wird zerstört.

[KlausM]

Ok danke.
Die Theorie nehm ich jetzt einfach mal so hin, aber in mir drängt sich das Verlangen auf, die Theorie auch wirklich mal bildlich zu verstehen :)
Wenn ich einen Kondensator lade, also auf der einen Platte sich Ladungsträger ansammeln, was hält diese Ldaungsträger davon ab, nicht wieder einfach zurück zu fließen? Ist es das elektrische Feld, dass diese Ladungsträger auf der geladenen Platte mit der gegenüberliegenden Platte aufbauen? Und warum fließen die Elektronen dann ab, sobald ich einen Verbrauche (z.B. eine Diode) parallel drann hänge?
Q= I*t. Wie kann ich diese Gleichung interpretieren? Ladung ist Strom mal Zeit..aha..
Wahrsch sind das jetzt diese typischen Fragen für Dummies, doch ich will endlich mal begreifen, wie und warum sich Ladungsträger verhalten.

[anders]

Wenn ich einen Kondensator lade, also auf der einen Platte sich Ladungsträger ansammeln, was hält diese Ldaungsträger davon ab, nicht wieder einfach zurück zu fließen?

Du meinst, nachdem du die Stromquelle entfernt hast.
Die Elektronen würden sehr gerne zurückfliessen, das elektrische Feld zeigt ihnen den Weg und man kann sogar die Kraft nutzen, mit der sie den Ausgleich anstreben, aber sie können nicht, weil im Dielektrikum, was ja bekanntlich ein Isolator ist, keine beweglichen Ladungsträger zur Verfügung stehen.

Erst wenn du die Elektroden mit einem Draht verbindest, ändert sich die Situation.
Im Kupfer z.B. sind fast alle Atome ionisiert und zwischen den dicken positiven Kupferionen können sich die vielen vielen kleinen Elektronen fast ungestört bewegen.
Deshalb leitet das Kupfer so gut.
So ein Metalldraht mit dem du die Kondensatorplatten verbindest, wirkt also ganz ähnlich wie ein bereits mit Wasser gefüllter Schlauch, mit dem du zwei auf verschiedener Höhe (Potential = Spannung ! ) befindliche Wasserbehälter verbindest: Es treten ein paar Elektronen von der negativen Platte in den Draht ein und dafür schiebt es am anderen Ende gleich viele Elektronen aus dem Draht heraus.
Das sind i.d.R. aber nicht die gleichen, die eingetreten sind, weil im Draht schon ungeheuer viele Elektronen vorhanden sind.

Ladung ist Strom mal Zeit..aha..

Ja und 1 Coulomb aka 1 Amperesekunde sind 6,24*10^^18 Elektronen (genau: 6241509629152650000 ).

Und da ich gerade die "ungeheure" Zahl von Elekronen im Kupfer erwähnte: Theoretisch sind das etwa 6 Trilliarden (6 *10^^23) in 63,5 Gramm.

Wenn du magst, kannst du daraus die Geschwindigkeit berechnen, mit der sich bei einer bestimmten Stromstärke die Elektronen im Draht bewegen.
Versuch es einmal und du wirst stauenen, wie langsam sie dahinschleichen.

[KlausM]

Ok besten Dank für die anschauliche Erklärung.

Eine Frage noch bzgl Reihenschaltung mit Kondensatoren bei Gleichstrom

Wie kann es sein, dass sich bei einer Reheinschaltung von mehreren C's alle geladen werden können?
Wenn ich einen Aufbau in etwa so habe: Pluspol -| |--| |--| |-- Minuspol.
Bei einer Gleichspanung würde der Strom doch maximal nur den ersten Kondensator aufladen, da so ein C doch als Barriere funktioniert und kein Strom leitet?

[anders]

Sieh das mal so: Die Batterie liefert ja gar keine Elektronen, sondern stiftet nur die für ihren Transport erforderliche Energie.
Die Spannung an einem Kondensator entsteht dadurch, dass Ladungen (Elektronen) von der positiven auf die negative Platte verschoben werden.

Auf diese Weise werden auch nur Elektronen von der linken Platte des rechten Kondensators auf die rechte Platte des mittleren Kondensators geschoben usw.
Weil sich dazwischen ein Metalldraht befindet, in dem sich die Elektronen frei bewegen können, geschieht das ziemlich reibungslos.

Diesen Verschiebungsstrom kann man in den Verbindungsleitungen zwischen den Kondensatoren problemlos mit einem Amperemeter messen.
Im Dielektrikum (im Extremfall Vakuum) des Kondensators existiert der Verschiebungsstrom ebenfalls, obwohl dort keine beweglichen Elektronen vorhanden sind.
Dort wird er durch die zeitliche Änderung des elektrischen Feldes hervorgerufen.
Dass der Verschiebestrom zwischen den Kondensatorplatten kein Hirngespinst ist, zeigt sich daran, dass man ihn recht gut anhand seines Magnetfeldes nachweisen kann.
Damit wären wir dann beim Energietransport durch das elektromagnetischen Feld, auf dem unsere ganze Funktechnik beruht.


Falls in deiner Zeichnung alle drei Kondensatoren die gleiche Kapazität haben, hat anschliessend ein jeder die gleiche Ladungsdifferenz, und somit ein Drittel der Batteriespannung.
Ausserdem beträgt die Gesamtkapazität ein Drittel des Wertes für einen einzelnen Kondensator.
Damit ist die Welt dann auch wieder hinsichlich der in der in dieser Anordnung enthaltenen Energie in Ordnung.