Abitur Rheinland-Pfalz Physik 2025 · GK · Informationsspeicher

Kondensatoren als Informationsspeicher

DRAM (Dynamic Random Access Memory) bezeichnet eine Technologie für einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird. Das speichernde Element ist dabei ein Kondensator, der entweder geladen oder entladen ist.

Hinweis: Die in den DRAMs enthaltenen Kondensatoren sollen in dieser Aufgabe als Plattenkondensatoren betrachtet werden.

1 a

Skizzieren Sie das Feldlinienbild des elektrischen Feldes zwischen den Platten und im Randbereich des Kondensators in Material 1 Abbildung 1.

Geben Sie zwei Regeln an, die bei der Veranschaulichung elektrischer Felder mithilfe von Feldlinien zu beachten sind.

1 b

Ein Kondensator wird von der Spannungsquelle abgetrennt und nachfolgend der Plattenabstand halbiert.

Erklären Sie, dass eine Messsonde bei beiden Abständen nahezu die gleichen Werte für die elektrische Feldstärke zwischen den Platten misst.

Erläutern Sie, weshalb die Messwerte nicht identisch sind.

Kondensatoren als Informationsspeicher

DRAM (Dynamic Random Access Memory) bezeichnet eine Technologie für einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird. Das speichernde Element ist dabei ein Kondensator, der entweder geladen oder entladen ist.

Hinweis: Die in den DRAMs enthaltenen Kondensatoren sollen in dieser Aufgabe als Plattenkondensatoren betrachtet werden.

2 In einem Modellversuch zu DRAMs wird der Zusammenhang zwischen Ladungsmenge und angelegter Spannung ermittelt.

a)

Vergleichen Sie qualitativ mithilfe der Abbildung 2 in Material 2 den Wert der Kapazität des Kondensators A mit dem des Kondensators B. Begründen Sie Ihre Aussage. [3 BE]

Material 2: Zusammenhang zwischen Ladung und angelegter Spannung

b)

In einem weiteren Versuch wird die Kapazität $C$ in Abhängigkeit vom Plattenabstand $d$ untersucht.

Begründen Sie unter Einbeziehung aller Messdaten des Materials 3, dass der Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen in guter Näherung durch die Gleichung $C = \frac{7{,}6\text{ nF}\cdot\text{mm}}{d}$ angegeben werden kann. [3 BE]

Material 3: Zusammenhang zwischen Kapazität und Plattenabstand

Tab. 1: Experimentell ermittelte Kapazitäten eines Kondensators bei unterschiedlichen Abständen.

$d$ in mm · 0,5 · 1,0 · 1,5 · 2,0 · 2,5 · 3,0

$C$ in nF · 15,2 · 7,7 · 5,0 · 3,8 · 3,0 · 2,6

Kondensatoren als Informationsspeicher

DRAM (Dynamic Random Access Memory) bezeichnet eine Technologie für einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird. Das speichernde Element ist dabei ein Kondensator, der entweder geladen oder entladen ist.

Hinweis: Die in den DRAMs enthaltenen Kondensatoren sollen in dieser Aufgabe als Plattenkondensatoren betrachtet werden.

In einem Internetforum über Computertechnik wird über die besonders kleinen Dimensionen von Kondensatoren in DRAMS zur Speicherung von digitalen Informationen diskutiert, siehe Material 4.

Schreiben Sie den nächsten Beitrag in diesem Forum, in dem Sie die Frage von Detlef7 mit einer nachvollziehbaren Begründung beantworten. Gehen Sie davon aus, dass die Angaben im Forum-Beitrag von Community4 richtig sind.

Kondensatoren als Informationsspeicher

DRAM (Dynamic Random Access Memory) bezeichnet eine Technologie für einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird. Das speichernde Element ist dabei ein Kondensator, der entweder geladen oder entladen ist.

Hinweis: Die in den DRAMs enthaltenen Kondensatoren sollen in dieser Aufgabe als Plattenkondensatoren betrachtet werden.

Die in den DRAMs enthaltenen Kondensatoren müssen regelmäßig aufgeladen werden.

4 a

Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Stromstärke für einen Aufladevorgang eines vollständig entladenen Kondensators.

Erklären Sie ohne Verwendung der Gleichungen für Auf- und Entladen eines Kondensators über einen Ohm'schen Widerstand, dass die Stromstärke beim Aufladevorgang nicht konstant ist.

4 b

Der Aufladevorgang wird durch den Leitungswiderstand und die Kapazität beeinflusst.

Beschreiben Sie den Einfluss dieser Parameter auf die Aufladezeit.

Kondensatoren als Informationsspeicher

DRAM (Dynamic Random Access Memory) bezeichnet eine Technologie für einen elektronischen Speicherbaustein, der hauptsächlich in Computern eingesetzt wird. Das speichernde Element ist dabei ein Kondensator, der entweder geladen oder entladen ist.

Hinweis: Die in den DRAMs enthaltenen Kondensatoren sollen in dieser Aufgabe als Plattenkondensatoren betrachtet werden.

5 Bei digitalen Anwendungen werden unterschiedliche Speichertechnologien für Daten verwendet. In Material 5 sind einige Eigenschaften und technische Angaben von zwei verschiedenen Speicherarten in Laptops dargestellt.

Beurteilen Sie auf der Grundlage von Material 5 für DRAM- und HDD-Speicher je ein Risiko, welches eine sichere Datenspeicherung auf einem Laptop gefährdet.

Material 5: Vergleich der zwei Speicherarten DRAM und HDD

DRAM und HDD sind Speicherarten, welche auch in Laptops eingesetzt werden. DRAM (Dynamic Random Access Memory) ist ein Speicher, in dem ein Computer seine Rechendaten vorübergehend zwischenspeichert. Die Informationsspeicherung erfolgt über den Ladungszustand des Kondensators. Das Dielektrikum im Kondensator lässt in geringem Maße elektrischen Strom zu, dadurch kommt es zu einer Selbstentladung des aufgeladenen Kondensators. Der Ladungszustand der DRAM-Kondensatoren muss also regelmäßig aufgefrischt, d. h. erneuert werden.

HDD (Hard Disk Drive) ist ein Speicher, welcher als interner und externer Festplattenspeicher eingesetzt wird, um System- und Nutzerdaten langfristig zu speichern. Die wesentlichen Bauelemente einer HDD sind magnetisierbare, rotierende Scheiben und ein beweglicher Schreib-Lese-Arm, siehe Abbildung 3. Beim Schreiben und Lesen der Daten muss dieser Arm in sehr geringem Abstand präzise über die Oberfläche der schnell rotierenden Scheibe bewegt werden. Entsprechend der zu speichernden Daten werden auf den Scheiben bestimmte Bereiche der Metalloberfläche magnetisiert.

Tab. 2: Vergleich DRAM und HDD · DRAM · HDD

Lese- und Schreibzeit in ns · 5 - 50 · 3,5 · 10 6 - 8 · 10 6

Datenerhalt ohne Spannungsversorgung · Millisekunde bis Sekunde · Jahre bis Jahrzehnte

a)

b)