Kondensatoren und Akkumulatoren (“Akkus”) speichern beide elektrische Energie. Worin besteht der Unterschied? Wieso verwenden wir Kondensatoren in HF-Schaltungen für Filter und Schwingkreise, Akkus jedoch nicht?

Akkus verändern ihre chemische Zusammensetzung beim Laden und Entladen. Die beteiligten chemischen Elemente bleiben dabei natürlich gleich, aber die Moleküle ändern ihren Aufbau. Im Bleiakku wie ihn typischerweise Autos als Starterbatterie haben wird beim Laden Schwefelsäure aus Bleisulfat erzeugt. Der Trick besteht also darin, chemische Verbindungen zu finden, bei denen dieser Prozess einfach durch Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie beliebig umkehrbar ist. Ist die angelegte Spannung höher als die Leerlaufspannung wird der Akku geladen, sonst wird er entladen. Beim Bleiakku geht das sehr bequem, weil er hochohmig wird, wenn er voll ist. Die Laderegelung ist also sehr einfach.

So genannte “Batterien” wie man sie als Einwegzellen kaufen kann, sind sozusagen die Primitivvariante des Akku: Ihr chemischer Aufbau erlaubt die einmalige Entnahme elektrischer Energie. Der Prozess ist aber nicht umkehrbar. Deswegen kann man sie nicht wieder aufladen.

Beim Kondensator dagegen verändert sich der chemische Aufbau nicht. Er muss nicht mal chemische Elemente enthalten. Er würde auch im Vakuum funktionieren. Zwischen jeden leitfähigen Flächen existiert eine Kapazität. Wo wird nun die elektrische Energie gespeichert? Das geschieht im elektrischen Feld. Anschaulich gesagt bestimmen die Stärke oder Dichte der Feldlinien wie viel Energie gespeichert ist. Der für die HF-Technik wesentliche Unterschied zum Akku ist nun, dass die Gesetzmäßigkeiten mit denen das Feld auf- und abgebaut werden kann rein physikalisch sind und praktisch beliebig schnell ablaufen können. Das bedeutet zum einen, dass das zeitliche Verhalten sehr genau definiert ist und zum anderen dass es auch einen genau definierten Zusammenhang zwischen dem Ladestrom und der Spannung am Kondensator gibt. In der Praxis begrenzen zwei Effekte diesen theoretisch perfekten Kondensator: Zum einen hat der Aufbau eines Kondensators immer auch eine Induktivität. Zum anderen begrenzt das gewählte Dielektrikum auch die HF-Eigenschaften des Kondensators. Deshalb sind z.B. Elkos und gewickelte Kondensatoren nicht so HF-tauglich wie flache Aufbauten.

Induktivitäten und die Energie im magnetischen Feld

Bei den Funkwellen haben wir gelernt, dass elektrisches Feld und magnetisches Feld sich prinzipiell gleich verhalten. Wieso gibt es dann keinen magnetischen dauerhaften Speicher für elektrische Energie? Die Spule erzeugt ein magnetisches Feld, welches natürlich auch eine bestimmte Energie enthält. Das bemerkt man z.B. beim abrupten Abschalten einer Relais-Spule wo die Energie mit Hilfe der so genannten Freilaufdiode abgeführt werden muss, damit sie keine Bauteile zerstört. Aber dieses magnetische Feld hängt direkt am fließenden Strom. Ein Strom fließt aber nur wenn auch eine Spannung anliegt. Und der Strom muss auch gegen den ohmschen Widerstand des Leiter arbeiten, er “verbraucht” sich also. Spulen taugen also nichts als dauerhafte Energiespeicher.

Wenn der gewünschte Effekt nicht die Energiespeicherung ist, sondern ein magnetisches Feld dauerhaft zu erzeugen, kann es sich lohnen die Spule aus supraleitendem Material zu machen. Da das aber enorm aufwändig ist, wird es nur selten gemacht; in der Funktechnik gar nicht, aber z.B. in der Medizin bei der Kernspintomografie.

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