Dielektrikum

Dielektrikum

Als Dielektrikum (Mehrzahl: Dielektrika) wird jede elektrisch schwach- oder nichtleitende, nichtmetallische Substanz bezeichnet, deren Ladungsträger im Allgemeinen praktisch nicht frei beweglich sind. Ein Dielektrikum kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein.[1]

Wirkt zum Beispiel um ein Kabel herum ein elektrisches Feld, kann für den Raum, in dem dieses elektrische Feld wirksam ist, der Begriff Dielektrikum verwendet werden. Ein Dielektrikum ist also ein von einem elektrischen Feld begrenzter, räumlicher Bereich (von griech. dia-: „durch“, das heißt, das Feld geht durch das Material). Es darf dabei keine elektrische Leitfähigkeit in diesem Raum vorliegen. Dielektrika können im leeren Raum (Vakuum), im gasgefüllten Raum oder auch anderen, von elektrisch nicht leitenden Stoffen ausgefüllten Volumen vorhanden sein.[2]

Die Feldgrößen des Dielektrikums sind die elektrische Feldstärke E und die elektrische Flussdichte D, welche im elektrostatischen Fall, das heißt im zeitlich konstanten Fall, und in einem isotropen Medium durch die Permittivität $ \varepsilon $ über folgende Beziehung verknüpft sind:

$ \vec{D} = \varepsilon \vec{E}. $

Die Permittivität setzt sich aus der elektrischen Feldkonstante $ \varepsilon_0 $ und der materialspezifischen relativen Permittivität $ \varepsilon_r $ zusammen:

$ \varepsilon = \varepsilon_0 \varepsilon_r. \,\! $

Begriffsverwendung

Isolatoren, wie der Isolierstoff zwischen Kondensatorplatten, Koaxialkabeln und Ähnlichem werden als Dielektrikum bezeichnet. Auch Antennen können funktionsbestimmende dielektrische Bauteile besitzen.

Auch die Flüssigkeit einer Funkenerodiermaschine, die verhindert, dass die Funken der Elektrode zu lang sind, wird als Dielektrikum bezeichnet.

Isolierstoffe, die nur zur elektrischen Isolation leitfähiger Teile voneinander dienen, werden in der Regel nicht als Dielektrika bezeichnet, obwohl deren dielektrische Eigenschaften für ihr Funktionieren ausschlaggebend sein können.

Polarisation eines Dielektrikums

Der Atomkern (positiver Ladungsschwerpunkt) wird durch ein externes Feld links neben den negativen Ladungsschwerpunkt (Elektronenhülle) gezogen

Da in einem Dielektrikum die Ladungsträger nicht frei beweglich sind, werden sie durch ein äußeres elektrisches Feld polarisiert. Dabei wird zwischen zwei Arten der Polarisation unterschieden:

Verschiebungspolarisation

  • Bei der Verschiebungspolarisation werden elektrische Dipole induziert, das heißt Dipole entstehen durch geringe Ladungsverschiebung in den Atomen oder Molekülen oder zwischen verschieden geladenen Ionen. Bei einem Wechselfeld „schwingen“ die negative Elektronenhülle und der positive Atomkern gegenläufig hin und her. Die Bewegung des Atomkerns kann auf Grund seiner deutlich größeren Masse (Massenverhältnis Proton zu Elektron ≈ 1836) gegenüber der Elektronenhüllenbewegung vernachlässigt werden. Daher wird der Atomkern als ortsfest betrachtet. Die Größe des induzierten Dipolmoments ist somit nur von der Auslenkung der Elektronenhülle abhängig. Bei diesen Schwingungen entsteht keine Wärmeenergie. Der Effekt kann mit Hilfe der Clausius-Mossotti-Gleichung beschrieben werden.

Orientierungspolarisation

  • Bei der Orientierungspolarisation: werden ungeordnete, permanente Dipole eines Isolators im elektrischen Feld gegen ihre thermische Bewegung ausgerichtet. Bei einem Wechselfeld müssen sich die Moleküle ständig umorientieren, wodurch Wärmeenergie entsteht (Mikrowellenherd). Der Effekt kann mit der Debye-Gleichung beschrieben werden.

Dielektrika in Kondensatoren

Die Kapazität $ C $ eines Kondensators hängt im Wesentlichen vom verwendeten Dielektrikum und dessen relativer Permittivität $ \varepsilon_r $, der Elektrodenfläche A und dem Abstand $ d $ der Elektroden zueinander ab.

Für einen Plattenkondensator gilt:

$ C = \varepsilon_r \varepsilon_0 \cdot { A \over d } $

Je höher die relative Permittivität $ \varepsilon_r $ ist, desto mehr Energie kann in dem elektrischen Feld zwischen den Platten eines Kondensators gespeichert werden. Die relative Permittivität des ausgewählten Isolierstoffes sagt also aus, um das Wievielfache sich die Kapazität eines Kondensators gegenüber Vakuum (bzw. Luft) als Isolierstoff erhöht.

Eine wichtige Größe eines Dielektrikums bei Kondensatoren und Kabeln ist auch dessen Durchschlagsfestigkeit, das heißt ab welcher Spannung das Dielektrikum seine Isolationseigenschaften verliert und es zu Überschlägen zwischen den Kondensatorbelägen oder den Kabeladern kommt.

Je nach Anwendung spielt auch der dielektrische Verlustfaktor bei Kondensator-Dielektrika eine Rolle. Er führt bei Wechselspannung zur Erwärmung des Kondensators. Die bei manchen Materialien ausgeprägte dielektrische Absorption kann zu einem teilweisen Wiederaufladen eines Kondensators nach einer vollständigen Entladung durch Kurzschließen führen.

Dielektrika in Kabeln, Hochfrequenz- und Hochspannungs-Bauteilen

Als Dielektrikum wird auch der Isolierstoff zwischen den Leitern eines Kabels (insbesondere Hochfrequenz- und Koaxialkabel) bezeichnet, der wesentlich dessen Leitungswellenwiderstand und die frequenzabhängige Dämpfung pro Länge bestimmt (meist in Dezibel [dB] oder Neper [Np] pro km angegeben).

Dielektrische Antennen, Resonatoren und dielektrische Wellenleiter werden in der Hochfrequenztechnik verwendet und gehorchen den gleichen Gesetzen der Brechung wie in der Optik beziehungsweise bei Lichtleitkabeln.

Typische Materialien für Dielektrika in Hochfrequenz-Anwendungen sind Polyethylen, PTFE, Keramik (zum Beispiel Steatit, Aluminiumoxid), Glimmer oder Luft. Dielektrika für Hochfrequenz-Anwendungen müssen im Allgemeinen besonders geringe dielektrische Verlustfaktoren aufweisen.

Gleiches gilt für Hochspannungsbauteile wie Kabel oder Transformatoren. Hierbei besteht das Dielektrikum in erster Linie aus der ölgetränkten Papierisolation zwischen Kabelleiter und Schirm beziehungsweise zwischen den Transformatorwicklungen. Die dielektrischen Eigenschaften dieser Bauteile geben Aufschluss über die Qualität der Isolierung.

Siehe auch

  • High-k-Dielektrikum

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Arthur von Hippel, Editor: Dielectric Materials and Applications. Artech House, London, 1954, ISBN 0-89006-805-4.
  2. Ralf Kories, Heinz Schmidt-Walter: Taschenbuch der Elektrotechnik. Verlag Harri Deutsch 2004, ISBN 3-8171-1734-5.

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