2.1 Teilkapazitäten bei isotropem Dielektrikum



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2.1 Teilkapazitäten bei isotropem Dielektrikum

 

Grundvoraussetzung für Berechnung von Teilkapazitäten ist, daß alle beteiligten Körper in die Berechnung miteinbezogen werden. Verschiebt man bei einem gedanklichen Versuch Ladung der Größe durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei ursprünglich ungeladenen Leitern, so kann man auf dem Leiter 1 und auf dem Leiter 2 messen. Die Summe der beiden Ladungen ist null, und damit ist Ladungsneutralität bzw. Ladungsbalance gegeben. Bei numerischen Feldberechnungen, welche nur Feldgebiete endlicher Größe in die Rechnung miteinbeziehen, ist aber darauf zu achten, daß keine Ladung im Unendlichen auftritt. Die Ladung tritt dann auf, wenn das Hüllenintegral (siehe auch Abbildung 2.1)

 

bei einer in der Größe gegen unendlich gehenden Hülle ungleich null ist.

  
Abbildung 2.1: Randwertaufgabe

Um diese Ausführungen zu präzisieren und die Herleitung der Kapazitätskoeffizienten zu demonstrieren, wird Abbildung 2.1 herangezogen. Ausgangspunkt sind beliebig geformte Leiter, die alle im Inneren einer endlich großen Kugel mit dem Radius eingeschlossen werden können. Für das Medium zwischen den Leitern, das sich bis ins Unendliche erstreckt, soll gelten, und es soll raumladungsfrei sein.

Die Randwertaufgaben

 

haben nach [Tyc59] eindeutige Lösungen, wobei die Lösungfunktion der Laplace-Gleichung für eine Randbedingung mit 1 am Leiter darstellt. Das Potential an der Stelle wird durch gebildet, wobei das Potential am Leiter ist. Die zu gehörenden Flächenladungen auf den Leitern bis sind

und die aufintegrierten Ladungen ergeben sich zu

 

mit den neueingeführten Abkürzungen , den sogenannten Kapazitätskoeffizienten. Außerhalb der Kugel befinden sich im Endlichen keine Ladungen. Es gilt somit die Laplace-Gleichung , deren Lösung die asymptotische Reihenentwicklung

 

besitzt. Aus der letzten Gleichung folgt weiters

 

Aus Gleichung (2.2) und (2.7) kann die sich die im Unendlichen befindliche Ladung über das Hüllenintegral

 

berechnet werden, wobei der Azimutwinkel ist und der Polarwinkel. Physikalisch gesehen sind die Leiter mit den Ladungen () durch die Potentialvorgabe auf mit dem Unendlichen leitend verbunden.





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Martin Stiftinger
Fri Nov 25 16:50:24 MET 1994