Untersuchung von Wasser als Dielektrikum im Kondensator

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⇒ 1 CW asser = 1 Cges = ⇒ ⇒ 1 CP lexi 1 + = 1 CW asser 2 + + 1 CP lexi Cges CP lexi CW asser 1 CW asser = 1 − Cges 2 CP lexi 1 CW asser 1 2, 39 · 10 −10 F − 1 = 1 2 · d − Cges ɛ0ɛ · A 0, 002m · 2 ɛ0 · 3, 4 · 0, 0511m 2 ⇒ CW asser = 6, 32 · 10 −10 F ⇒ (nach( 84))ɛW asser = 29, 7 Diese Abweichung lässt sich damit erklären, dass es sich bei unseren Messungen nicht um einen unendlich ausgedehnten Kondensator handelt, sodass wir von einem Streufeld ausgehen müssen. Letztlich können wir aus unseren Ergebnissen festhalten, dass bei feuchter Luft und einem mit Wasser als Dielektrikum zwei völlig unterschiedliche Kapazitäten zustande kommen. Hiermit stellen wir also fest, dass der Effekt, der gleichen Kapazität bei feuchtem und befülltem Behälter, mit unseren Bedingungen und einer Niederspannung von ca. 10V nicht reproduzierbar ist. 3.2.4 Das Dielektrikum bei Hochspannung In diesem Versuchsteil gilt es, mithilfe einer Hochspannungsquelle unseren Plattenkondensator aufzuladen und die Abschwächung der Spannung bei Einführen eines Dielektrikums unter Zuhilfenahme eines Elektrometers zu ermitteln. Dabei entnehmen wir dem Elektrometer die untenstehenden Werte, die qualitativ für die Spannung stehen (Tabelle 4 bis 6). Die Versuchsanordnung sieht wie folgt aus: Abbildung 16: Schaltskizze Dielektrikum bei Hochspannung Zunächst laden wir mit Hochspannung die Kondensatorplatten auf und lesen den angezeigten Wert auf dem Oszilloskop ab. Der ermittelten Größe eine Einheit zuzuweisen, erscheint als wenig sinnvoll, da am Elektrometer nur relative Größen abgelesen werden können. Als nächstes führen wir das Dielektrikum ein und lesen erneut den angezeigten Wert ab. Schließlich entfernen wir das Dielektrikum. Die Bezeichnung “feucht” bezieht sich auf das Dielektrikum, welches zuvor mit Wasser gefüllt war und aus dem das Wasser entfernt worden ist, sodass die Wände noch benässt sind und die Luftfeuchtigkeit ca. 100% entspricht. Für den Versuch haben wir zwei Dielektrika aus Plexiglas hergestellt. Dazu wurden jeweils zwei Plexiglasscheiben in unterschiedlichen Abständen voneinander mithilfe von Silikon fixiert. Auch nach mehreren Versuchen gelang es uns nicht, die Dielektrika vollständig abzudichten. Es trat immer, wenn auch nur sehr wenig, Wasser aus. 28 (86)
Auf die Dielektrizitätszahl sollte dies keinen nennenswerten Einfluss haben, insbesondere, da die ermittelten Werte am Elektrometer nur sehr grobe Werte darstellen. Wir führten eine ganze Reihe von Versuchsdurchläufen durch. Wäre der beschriebene Effekt auftreten, so hättem wir erwartet, dass die Abschwächung der Spannung mit Wasser (destilliertes bzw. Leitungswasser) als Dielektrikum in der Größenordnung derjenigen liegt, die mit dem halbtrockenen Dielektrikum bewirkt wird. Wir erhalten folgende Messergebnisse: eingesetztes Dielektrikum Skala am Elektrometer ±0, 2 ohne Dielektrikum mit Dielektrikum ohne Dielektrikum nach Herausziehen destilliertes Wasser 7,0 8,0 4,4 5,1 6,2 7,8 Leitungswasser 7,0 7,0 5,5 6,0 6,8 7,0 feucht 8,0 7,0 7,0 ohne Wasser 7,5 7,0 5,5 6,0 7,5 7,0 8,0 7,9 7,9 eine Scheibe Plexiglas 8,0 7,9 7,9 7,0 3,0 6,9 Tabelle 5: Messergebnisse 1. Durchlauf (02.07.2012) eingesetztes Dielektrikum ohne Dielektrikum [±0, 2] mit Dielektrikum[±0, 2] nachher [±0, 2] dünnes Dielektrikum ohne Wasser dünnes Dielektrikum mit Wasser 5 4,5 — 7 5 — 7 5 6 7 4 4 7 4 6 Tabelle 6: Messergebnisse 2. Durchlauf (05.07.2012) eingesetztes Dielektrikum ohne Dielektrikum [±0, 2] mit Dielektrikum[±0, 2] nachher [±0, 2] dickes Dielektrikum mit Wasser dickes Dielektrikum halbtrocken 7 5 6,5 7 4 7 7 4,5 6 7 5,5 6 7 5,5 6,5 Tabelle 7: Messergebnisse 3. Durchlauf (05.07.2012) Wie den Zahlenwerten zu entnehmen ist, lässt sich eine geringfügige Abnahme der gemessenen Ladungen (in Größenordnungen von 0,5 Skalenteilen) nach Herausziehen des Dielektrikums erkennen. Dies ist durch die Ent- ladung an der Luft oder doch mögliche Kontakte mit der Kondensatorfläche zu erklären. Die Abnahme der Spannung nach Einführen des halbtrockenen Dielektrikums in den Kondensator ähnelt den Werten, die mit dem trockenen Dielektrikum erzielt wurden. Dennoch können wir auch einmal mit dem trockenen Dielektrikum eine Abschwächung von 7,5 auf 5,5 erkennen. Dass der Wert nach Herausziehen des Dielektrikums geringer ist als vor dem Einführen, liegt daran, dass sich die Versuchsapparatur bereits zu einem Teil wieder entladen hat. Gerade die relativ hohe Luftfeuchtigkeit ist daran maßgeblich beteiligt. Alles in allem zeigt dies, wie fehlerbehaftet die Messungen sind und dass eine Aussage zu treffen sich als merklich schwierig erweist. Festzuhalten ist, dass wir den beschriebenen Effekt auch bei Hochspannung nicht erkennen können. 29
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