Materialeigenschaften: Dielektrika Antwort auf ein elektrisches Feld

Inhalt Definition der „relativen Permittivität“ ( vormals „Dielektrizitätszahl“ ) Materialeigenschaften, makroskopisch und auf atomarer Skala: Verschiebungspolarisation Orientierungspolarisation Dielektrika Parelektrika Ferroelektrika Pyroelektrika Piezoelektrika

Die Dielektrizitätszahl Ein elektrisches Feld verschiebt die Ladungsschwerpunkte in der Materie (Polarisation) Die getrennten Ladungen verursachen ein Gegenfeld Zwischen den Platten eines Kondensators fällt deshalb die Spannung bei konstanter Ladung: Die Kapazität wird größer

Die Spannung als Funktion der Feldstärke Volt 1 0,5

Die Spannung als Funktion der Feldstärke mit Dielektrikum Volt 1 0,5 Durch Polarisation erzeugtes Gegenfeld

Die Spannung als Funktion der Ladung mit Dielektrikum Volt 1 0,5 Gleiche Ladung, kleinere Spannung: Höhere Kapazität C = CVac· εr

Spannung mit Dielektrikum als Funktion der Ladung Volt 1 0,5 Gleiche Ladung, kleinere Spannung: Höhere Kapazität C = CVac· εr Dielektrizitäts-zahl (>1)

Definition der relativen Permittivität εr 1 Definition der Dielektrizitäts- oder Permittivitätszahl 1 F Kapazität des Kondensators mit - ohne Dielektrikum Materialien mit Permittivitätszahl εr > 1 vergrößern die Kapazität um den Faktor εr Das heißt, bei gleicher Spannung wird die εr - fache Ladung gespeichert

Kleinere Spannung bei gleicher Ladung 1 F Ladung und Spannung im Kondensator mit Dielektrikum Ladung und Spannung Kondensator im Vakuum 1 Definition der Dielektriziätszahl Bei konstanter Ladung ist die Spannung mit Dielektrikum um den Faktor 1/εr kleiner

Versuch Ein Kondensator wird statisch aufgeladen und dessen Spannung mit einem Elektrometer überprüft. Wird ein Dielektrikum eingebracht, dann bleibt die Ladung konstant sinkt die Spannung, die Kapazität C nimmt daher zu Entfernen des Dielektrikums bringt die Spannung auf ihren ursprünglichen Wert.

Spannung mit und ohne Dielektrikum Kondensator in Luft Kondensator mit Dielektrikum

Dielektrizitätszahlen einiger Materialien Vakuum 1,00 Luft Wasser (sichtbarer Bereich)* 1,77 Petroleum 2,00 Papier 1 - 4 Gummi 2,70 Trockenes Holz 3,00 Eis (−20 °C, f > 100 kHz)* 3,20 Trockene Erde 3,90 Porzellan 2 - 6 Glas 6 - 8 Feuchte Erde 29,00 Methanol 32,60 Glycerin 42,50 Wasser (f = 2,54 GHz)* 77,00 Wasser 80,10 Eis (−20 °C) 100,00 Bariumtitanat 1000 - 10000 Werte für 18° C und 50 Hz bzw. *) angegebene Frequenz

Relative Permittivität Anstelle des Begriffs „Dielektrizitätszahl“ wird empfohlen, für die gleiche Größe in Zukunft den Begriff „Relative Permittivität“ zu verwenden

Zusammenfassung Definition der relativen Permittivität (=Dielektrizitätszahl) εr : Quotient, Zähler: Kapazität mit Material, C Nenner: Kapazität ohne Material, CVac εr = C / CVac Ursache: Materie in einem elektrischen Feld erzeugt aufgrund der Polarisation ein Gegenfeld dieses Feld setzt die ursprüngliche Feldstärke und in einem Kondensator mit Platten im Abstand d die Spannung U = E·d herab Ein Kondensator mit Dielektrikum speichert bei gleicher Spannung mehr Ladung

Volt Gleiche Ladung, kleinere Spannung: Höhere Kapazität C = CVac· εr finis Volt 1 0,5 Gleiche Ladung, kleinere Spannung: Höhere Kapazität C = CVac· εr Dielektrizitäts-zahl (>1)