Farad

Physikalische Einheit ⓘ
Einheitenname	Farad
Einheitenzeichen	$\mathrm {F}$
Physikalische Größe(n)	Elektrische Kapazität
Formelzeichen	$C$
Dimension	${\mathsf {M^{-1}\;L^{-2}\;T^{4}\;I^{2}}}$
System	Internationales Einheitensystem
In SI-Einheiten	$\mathrm {1\,F=1\;{\frac {C}{V}}=1\;{\frac {A^{2}\,s^{4}}{kg\,m^{2}}}=1\;{\frac {s}{\Omega }}}$
Benannt nach	Michael Faraday
Abgeleitet von	Coulomb, Volt

Das Farad ist die SI-Einheit der elektrischen Kapazität. Es wurde nach Michael Faraday benannt. ⓘ

Ein Kondensator, der durch das Aufladen auf eine Spannung von einem Volt (V) eine Ladung von einem Coulomb (C) speichert, hat eine Kapazität von einem Farad (F):

1\,\mathrm {F} =1\,{\frac {\mathrm {C} }{\mathrm {V} }}

. ⓘ

Der überwiegende Anteil von in der Elektrotechnik eingesetzten Kondensatoren weist erheblich kleinere Werte als ein Farad auf, so dass sehr häufig Angaben unter Zuhilfenahme von SI-Präfixen wie Mikrofarad (μF = 10⁻⁶ F), Nanofarad (nF = 10⁻⁹ F) und Pikofarad (pF = 10⁻¹²F) anzutreffen sind. ⓘ

Definition

Ein Farad ist definiert als die Kapazität, an der sich bei einer Ladung von einem Coulomb eine Potentialdifferenz von einem Volt einstellt. Gleichermaßen kann ein Farad als die Kapazität beschrieben werden, die eine Ladung von einem Coulomb über eine Potentialdifferenz von einem Volt speichert. ⓘ

Die Beziehung zwischen Kapazität, Ladung und Potenzialdifferenz ist linear. Wenn sich beispielsweise die Potenzialdifferenz über einem Kondensator halbiert, halbiert sich auch die in diesem Kondensator gespeicherte Ladungsmenge. ⓘ

Für die meisten Anwendungen ist das Farad eine unpraktisch große Kapazitätseinheit. Die meisten elektrischen und elektronischen Anwendungen werden durch die folgenden SI-Präfixe abgedeckt:

1 mF (Millifarad, ein Tausendstel (10-3) eines Farad) = 0,001 F = 1000 μF = 1000000000 pF
1 μF (Mikrofarad, ein Millionstel (10-6) einer Farad) = 0,000 001 F = 1000 nF = 1000000 pF
1 nF (Nanofarad, ein Milliardstel (10-9) einer Farad) = 0,000 000 001 F = 0,001 μF = 1000 pF
1 pF (Picofarad, ein Billionstel (10-12) einer Farad) = 0,000 000 000 000 001 F = 0,001 nF ⓘ

Gleichheiten

Ein Farad ist eine abgeleitete Einheit, die auf vier der sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems basiert: Kilogramm (kg), Meter (m), Sekunde (s) und Ampere (A). ⓘ

Ausgedrückt in Kombinationen von SI-Einheiten, ist das Farad:

{\text{F}}={\dfrac {{\text{s}}^{4}{\cdot }{\text{A}}^{2}}{{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{kg}}}}={\dfrac {{\text{s}}^{2}{\cdot }{\text{C}}^{2}}{{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{kg}}}}={\dfrac {\text{C}}{\text{V}}}={\dfrac {{\text{A}}{\cdot }{\text{s}}}{\text{V}}}={\dfrac {{\text{W}}{\cdot }{\text{s}}}{{\text{V}}^{2}}}={\dfrac {\text{J}}{{\text{V}}^{2}}}={\dfrac {{\text{N}}{\cdot }{\text{m}}}{{\text{V}}^{2}}}={\dfrac {{\text{C}}^{2}}{\text{J}}}={\dfrac {{\text{C}}^{2}}{{\text{N}}{\cdot }{\text{m}}}}={\dfrac {\text{s}}{\Omega }}={\dfrac {1}{\Omega {\cdot }{\text{Hz}}}}={\dfrac {\text{S}}{\text{Hz}}}={\dfrac {{\text{s}}^{2}}{\text{H}}},

ⓘ

wobei F = Farad, C = Coulomb, V = Volt, W = Watt, J = Joule, N = Newton, S = Siemens, H = Henry. ⓘ

Geschichte

Der Terminus Farad wurde von den beiden englischen Elektro-Ingenieuren Josiah Latimer Clark und Charles Tilston Bright zur Ehre des englischen Physikers Michael Faraday eingeführt und 1861 als Einheit für die elektrische Ladung vorgeschlagen. 1881 legte der Internationale Elektrizitätskongress jedoch das Farad als Einheit für die elektrische Kapazität und das Coulomb (nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb) als Einheit für die elektrische Ladung fest. ⓘ

Erläuterung

Beispiele für verschiedene Arten von Kondensatoren ⓘ

Ein Kondensator besteht im Allgemeinen aus zwei leitenden Flächen, die häufig als Platten bezeichnet werden und durch eine Isolierschicht getrennt sind, die gewöhnlich als Dielektrikum bezeichnet wird. Der ursprüngliche Kondensator war die im 18. Jahrhundert entwickelte Leydener Flasche. Durch die Ansammlung elektrischer Ladung auf den Platten entsteht die Kapazität. Moderne Kondensatoren werden mit einer Reihe von Fertigungstechniken und Materialien hergestellt, um die außerordentlich große Bandbreite an Kapazitätswerten zu erreichen, die in der Elektronik verwendet werden, von Femtofarad bis Farad, mit Höchstspannungswerten von einigen Volt bis zu mehreren Kilovolt. ⓘ

Die Werte von Kondensatoren werden gewöhnlich in Farad (F), Mikrofarad (μF), Nanofarad (nF) und Picofarad (pF) angegeben. Die Angabe in Millifarad wird in der Praxis selten verwendet (eine Kapazität von 4,7 mF (0,0047 F) wird z. B. als 4700 μF angegeben), während die Angabe in Nanofarad in Nordamerika unüblich ist. Die Größe der im Handel erhältlichen Kondensatoren reicht von etwa 0,1 pF bis zu 5000F (5 kF) Superkondensatoren. Die parasitäre Kapazität in hochleistungsfähigen integrierten Schaltungen kann in Femtofarad (1 fF = 0,001 pF = 10-15 F) gemessen werden, während hochleistungsfähige Prüfgeräte Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von einigen zehn Attofarad (1 aF = 10-18 F) erkennen können. ⓘ

Ein Wert von 0,1 pF ist der kleinste Wert, der bei Kondensatoren für die allgemeine Verwendung in der Elektronikentwicklung zur Verfügung steht, da kleinere Werte von den parasitären Kapazitäten anderer Komponenten, der Verdrahtung oder der Leiterplatten dominiert würden. Kapazitätswerte von 1 pF oder weniger können erreicht werden, indem zwei kurze isolierte Drähte miteinander verdrillt werden. ⓘ

Die Kapazität der Ionosphäre der Erde in Bezug auf den Boden wird auf etwa 1 F berechnet. ⓘ

Informelle und abgelehnte Terminologie

Das Pikofarad (pF) wird umgangssprachlich manchmal als "puff" oder "pic" ausgesprochen, z. B. in "ein Zehn-Puff-Kondensator". In ähnlicher Weise wird "mic" (ausgesprochen "mike") manchmal informell für Mikrofarad verwendet. ⓘ

Nicht standardisierte Abkürzungen wurden und werden häufig verwendet. Farad wurde mit "f", "fd" und "Fd" abgekürzt. Für die Vorsilbe "Mikro-" wird, wenn der griechische Kleinbuchstabe "μ" oder das alte Mikrozeichen "μ" nicht zur Verfügung steht (z. B. bei Schreibmaschinen) oder nicht eingegeben werden kann, häufig das ähnlich klingende "u" oder "U" verwendet, ohne dass eine Verwechslungsgefahr besteht. Es wurde auch durch das ähnlich klingende "M" oder "m" ersetzt, was verwirrend sein kann, da M offiziell für 1.000.000 steht, während m vorzugsweise für 1/1000 steht. In Texten vor 1960 und auf Kondensatorverpackungen bis in die jüngste Zeit wurde "Mikrofarad(s)" mit "mf" oder "MFD" abgekürzt und nicht mit dem modernen "μF". In einem Katalog von Radio Shack aus dem Jahr 1940 wird die Leistung jedes Kondensators in "Mfd." angegeben, von 0,000005 Mfd. (5 pF) bis 50 Mfd. (50 μF). ⓘ

"Mikromikrofarad" oder "Mikromikrofarad" ist eine veraltete Einheit, die in einigen älteren Texten und Etiketten zu finden ist und ein nicht standardisiertes metrisches Doppelpräfix enthält. Sie entspricht genau einem Picofarad (pF). Sie wird mit μμF, uuF oder (verwirrenderweise) "mmf", "MMF" oder "MMFD" abgekürzt. ⓘ

Zusammenfassung der veralteten Kapazitätseinheiten: (Groß-/Kleinschreibung wird nicht angezeigt)

μF (Mikrofarad) = mf, mfd
pF (Picofarad) = mmf, mmfd, pfd, μμF ⓘ

CGS-Einheiten

Das Abfarad (abgekürzt abF) ist eine veraltete CGS-Einheit der Kapazität, die 10⁹ Farad (1 Gigafarad, GF) entspricht. ⓘ

Das Statfarad (abgekürzt statF) ist eine selten verwendete CGS-Einheit, die der Kapazität eines Kondensators mit einer Ladung von 1 Statcoulomb bei einer Potentialdifferenz von 1 Statvolt entspricht. Es ist 1/(10-5c²) Farad, ungefähr 1,1126 Picofarad. ⓘ