6.3.4 Merkpunkte zu Kapitel 6.3. Polarisationsmechanismen

Ideale Dielektrika sind perfekte Isolatoren charakterisiert durch ihre DK er oder durch die Suszeptibilität c.  
Sinnvolles
Materialgesetz
P   =  e0 · c · E
Sinnvolle neue
Materialkonstante
c   =  dielektrische
Suszeptibiltät
Alte
Materialkonstante
er    =  c + 1
Beziehung
D Û P
D  =  e0 · E  +  P
Die DK oder die Suszeptibilität eines Dielektrikums folgt aus seiner Polarisation.  
Die Beziehung zwischen Feld E und Polarisation P ist aus Materialsicht sinnvoller als die Beziehung zwischen Feld und Verschiebungsdichte.  
Umrechnungen sind einfach Þ  
         
Reale Dielektrika haben eine endliche Leifähigkeit.  
Ersatzschaltbild Dielektrikum
j(w)  =  w · e'' · E(w)   +  i · w · e' · E(w)
Das läßt sich am einfachsten wie gezeigt beschreiben. Der insgesamt fließende Wechselstrom wird durch eine komplexe dielektrische Funktion e(w) erfaßt Þ  
Der Realteil von e' beschreibt den um 90o phasenverschobenen Teil der Stromdichte j(w); der Imaginärteil e'' den Teil der in Phase fließt.  
Damit sind Wirk- und Blindleistung proportional zu e'' bzw. e'.  
Dies gilt unabhängig davon von welchem Effekt der Imaginärteil resultiert.  
   
Ein externes elektrisches Feld wird in einem Dielektrikum immer Dipole induzieren und zusätzlich die eventuell vorhandenen Dipole verändern.  
m  =  q · x
Sign of dipole moment
Die Polarisation eines Dielektrikum ist die Vektorsumme der enthaltene Dipolmomente per Volumen  
Ein Dipolmoment ist definiert wie gezeigt Þ  
       
Viele Materialien enthalten Dipomomente (z. B. Ionenkristalle Oxide, Wasser, ...) andere (Edelgas, dielektrische Elementkristalle) sind neutral.  
Dipolmomente im Material
Im ersten Fall addieren sich die vorhandenen Momente ohne Feld i.d.R. zu P = 0 C/cm2; mit Feld wird die Ausrichtung so geändert, dass P ¹ 0 C/cm2 resultiert.  
         
Es gibt neben der mathematisch schwer greifbaren Grenzflächenpolarisation drei wesentliche Polarisationsmechanismen.  

  1. Atom- oder Elektronenpolarisation
  2. Ionenpolarisation
  3. Orientierungspolarisation

Orientierungspolarisation
Im 1. Fall wird die durch das Feld die Elektronenhülle relativ zum Atomkern verschoben und dadurch ein Dipolmoment induziert.
  • Sehr schwacher Effekt bei kugelförmigen Atomen (Beispiel Edelgase; auch als Kristall; er = 1,00...)
  • Starker Effekt bei gerichteten kovalenten Bindungen (Beispiel typische Halbleiter Si, Ge, GaAs, ...; er = 15 - 20).
 
Die Ionenpolarisation ist in allen Ionenkristallen und polaren Bindunge (Oxide, Keramiken) vorhanden. Mittel bis sehr stark.  
Orientierungspolarisation kommt nur bei Flüßigkeiten vor, da die (Molekül)dipole sich drehen können müssen. Recht stark; er(H2O) = 80.  
         
In allen Fällen ist die Polarisation proportional zum Feld.  
P   =  e0 · c · E
 
Damit ist die Grundgleichung "bewiesen"; die Suszeptibität c kann berechnet werden.

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© H. Föll (MaWi für ET&IT - Script)