Untersuchung von Wasser als Dielektrikum im Kondensator

1 Motivation und Einleitung
Im Wintersemseter 2011/2012 wurde in einer Experimentalphysikvorlesung der Bergischen Universität Wup-
pertal zum Thema Elektrostatik ein Versuch vorgeführt, der das Verhalten verschiedener Dielektrika in einem
Kondensator verdeutlichen sollte. Es handelte sich hierbei um einen großen, kreisförmigen Pattenkondensator
(Radius r = 13cm) mit einem variablen Plattenabstand von bis zu 7cm. Der Plattenkondensator wurde über eine
Hochspannungsquelle geladen. Dieses war auf der Skala eines Elektrometers abzulesen. Der Plattenkondensator
war nur mit Raumluft umgeben und gefüllt. Folglich konnten wir die Permittivitätszahl ɛ = 1 annehmen. Der
Plattenabstand betrug bei dieser Versuchsvorführung ca. 5cm. Wir wissen aus der Physik der Kondensatoren,
dass folgende Zusammenhänge gelten müssen [[6], S.825]:
C : Kapazität
Q : Ladung
U : Spannung
ɛ : Permittivität
A : Plattenfläche
d : Plattenabstand
C = Q
U
= ɛ · A
d
Im weiteren Verlauf dieses Protokolls werden wir näher auf diese physikalischen Zusammenhänge eingehen. Was
wir aber anhand der Formel (1) leicht erkennen können, ist die umgekehrte Proportionalität der Permittivität
zur Spannung. Ändern wir also die Permittivität durch Einbringen eines Dielektrikums, so ändern wir auch die
anliegende Spannung zwischen den beiden Kondensatorplatten unter der Annahme, dass alle anderen Parameter
konstant bleiben. Vor Versuchsbeginn wurde der Plattenkondensator mit einigen kV (ca. 5kV bis 10kV) über eine
Spannungsquelle geladen und anschließend von dieser getrennt. Die beiden Platten sind voneinander isoliert,
sodass wir davon ausgehen können, dass die Ladung auf den beiden Kondensatorplatten konstant ist (abgesehen
von einer minimalen Entladung durch die Luft). Der Versuch aus der Vorlesung zeigte, wie die Spannung an
den Kondensatorplatten um einen erheblichen Faktor abnahm, wenn ein mit Wasser gefüllter Kunststoffbehälter
zwischen die beiden Kondensatorplatten geführt wurde. Um den Zuhörern zu demonstrieren, dass es wirklich das
Wasser war, welches zu diesem Spannungsabfall führte, leerte der Professor den Behälter aus, um ihn daraufhin
ohne Wasser zwischen die Kondensatorplatten zu halten. Da sich, bis auf wenige Tropfen Wasser, nur noch
Luft in dem Behälter befand und somit auch die Permittivitätszahl ca. 1 betrug, dürfte der Spannungsabfall
beim Einführen des entleerten Gefäßes nur minimal sein. Allerdings war ein ähnlich starker Spannungsabfall
zu beobachten wie bei dem mit Wasser gefüllten Behälter. Diese Beobachtung widerspricht der physikalischen
Erwartung und wird in diesem Versuch näher untersucht.
In unserem Versuch wollen wir diesen Effekt näher untersuchen und verschiedene Methoden zur Kapazitätsmes-
sung behandeln. Ziel des Versuches ist es, den Effekt zu reproduzieren und theoretisch zu erklären.
2 Physikalischer Hintergrund
Vor Versuchsdurchführung soll vorab der physikalische Hintergrund beleuchtet werden. Hierdurch erlangen wir
eine Vorstellung über die Abläufe innerhalb des Versuches, Auswirkungen der einzelnen Komponenten und die
auftretenden Störeffekte. Weiterhin können wir Ergebnisse vorab berechnen und erhalten so Erwartungs- und
Vergleichswerte.
4
(1)