6.1.2 Was wir ueber Dielektrika gerne wissen moechten

6.1.2 Was wir über Dielektrika gerne wissen möchten

Wenn man die Sache mit den Feldstärken in Dielektrika kapiert hat, ist die erste Frage, die sich stellt, ganz offenbar:

1. Frage: Welche maximale oder kritische Feldstärke E_krit hält ein gegebenes Dielektrikum so gerade noch aus. Wie lange? Von was hängt es ab? Gibt es z. B. Unterschiede zwischen einkristallinem und amorphem Quarz oder "Volumen-" oder "Dünnschicht"-Quarz?

Wenn wir als nächstes mal die nachfolgende Tabelle anschauen, ist klar, warum es "Tantal-Kondensatoren" gibt und warum Bariumtitanat bei Billigkondensatoren so beliebt ist. Die zweite Frage wird damit aber auch klar:

Statisches e_r (Gleichspannung)
Gebräuchliche Isolatoren		Halbleiter		Ionenkristalle		Flüssigkeiten / "Exoten"
SiO₂	3,7	C	5,7	NaCl	5,9	H₂O	0° C	88
SiO₂	3,7	C	5,7	NaCl	5,9	H₂O	100° C	55
Porzellan	2 - 6	Si	12,0	LiF	9,01	Eis		100
Glas	3,7 - 10	Ge	16,0	LiBr	13,25	Methanol		32,6
PVC	1,4	SiC	6,7	LiJ	16,85	Feuchte Erde		29
Polyethylen (PE)	2,4	GaP	8,4	NaF	5,05	Bariumtitanat BaTiO₃		10³ - 10⁴
Paraffin	2,2	ZnO	4,6	NaBr	6,28	Tantalpentoxid Ta₂O₅		27

2. Frage: Welche (atomaren) Mechanismen bestimmen die Dielektrizitätskonstante eines Materials? Im Detail interessiert vielleicht auch noch die Variationsbreite von e_r für ein gegebenes Material - offenbar kann sie ja stark schwanken, je nach genauer Zusammensetzung (Beispiel "Glas"), interner Struktur oder Gefüge (Beispiel BaTiO₃) und Temperatur (Beispiel Wasser).

Ein Blick auf die nachfolgende Tabelle macht jetzt ein Problem klar:

Frequenzabhängiges e_r von Wasser
Frequenz	e_r
0 Hz	88
2,5 GHz	77
10 GHz	30
» 10¹⁵ Hz (optische Frequenzen)	1,77
® ¥ Hz	1

3. Frage: Wie ist und was bestimmt die offenbar kräftige Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten? Dass sie grundsätzlich mit steigender Frequenz abzunehmen scheint, kann man sich wie folgt klarmachen:

Der Brechungsindex aller gängigen optischen Materialien liegt so um die 1,5 - dazu gehört ein e_r = 1,5² = 2,25. Den höchsten Brechungsindex im Sichtbaren hat der Diamant mit n = 2,42, d. h. der höchste e_r-Wert im Sichtbaren liegt bei 5,86.

Drei einfache und griffige Fragen - und ein riesiges Programm, wenn man das richtig ernst nimmt. Tun wir aber nicht, sondern wir betrachten nur mal das Grundsätzliche.

Hier noch die schnellen Fragen:

Fragebogen
Schnelle Fragen zu 6.1.2