Dielektrisches Material

Dielektrisches Material im Detail

Dielektrische Materialien sind schlechte Stromleiter, weil sie keine lose gebundenen oder freien Elektronen haben, die durch das Material wandern könnten. Diese sind die Voraussetzung für das Fließen des Stroms vom Plus- zum Minuspol und in umgekehrter Richtung als freie Elektronen vom Minuspol zum Pluspol.

Dielektrische Materialien unterstützen die dielektrische Polarisation, wodurch sie als Dielektrikum und nicht als Leiter fungieren. Das bedeutet, dass man sie in ein elektrisches Feld bringt, so dass die positiven Ladungen in Richtung des elektrischen Feldes verschoben werden, während die negativen Ladungen in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden. Eine solche Polarisierung erzeugt ein starkes internes Feld, das das gesamte elektrische Feld innerhalb des Materials verringert.

Ein wichtiges Kriterium für ein dielektrisches Material ist seine Fähigkeit, ein elektrostatisches Feld aufrechtzuerhalten und dabei möglichst wenig Energie in Form von Wärme abzugeben. Dieser Wärme- oder Energieverlust wird als dielektrischer Verlust bezeichnet. Je geringer der dielektrische Verlust ist, desto effektiver ist die Substanz als dielektrisches Material.

Ein weiterer Aspekt ist die Dielektrizitätskonstante, das heißt das Ausmaß, in dem eine Substanz die elektrostatischen Flusslinien konzentriert. Zu den Stoffen mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante gehören ein perfektes Vakuum, trockene Luft und die meisten reinen, trockenen Gase wie Helium und Stickstoff. Zu den Materialien mit mittlerer Dielektrizitätskonstante gehören Keramik, destilliertes Wasser, Papier, Glimmer, Polyethylen und Glas. Metalloxide haben im Allgemeinen hohe Dielektrizitätskonstanten.

Eigenschaften von dielektrischen Materialien

Dies sind die wichtigsten Eigenschaften von dielektrischen Materialien.

Elektrische Suszeptibilität  

Dies ist ein relatives Maß dafür, wie leicht sich ein dielektrisches Material polarisieren lässt, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Sie bezieht sich auch auf die elektrische Permeabilität des Materials.

Dielektrische Polarisation

Dies ist die Menge an elektrischer Energie, die ein Feld speichern kann, wenn eine Spannung angelegt wird. Da sie bewirkt, dass positive und negative Ladungen in entgegengesetzte Richtungen fließen, kann sie das gesamte elektrische Feld aufheben.

Elektrisches Dipolmoment

Als elektrisches Dipolmoment wird das Ausmaß bezeichnet, in dem die negativen und positiven Ladungen innerhalb des Systems getrennt sind. Atome enthalten sowohl positiv als auch negativ geladene Teilchen und sind als Dipole im Material angeordnet. Das Anlegen einer elektrischen Ladung erzeugt ein Dipolmoment. Die Beziehung zwischen dem Dipolmoment und dem elektrischen Feld verleiht einem Material seine dielektrischen Eigenschaften.

Elektronische Polarisierung

Elektronische Polarisation tritt auf, wenn die dielektrischen Moleküle, die das Dipolmoment bilden, aus neutralen Teilchen bestehen.

Relaxationszeit

Nach dem Entfernen eines angelegten elektrischen Feldes kehren die Atome im dielektrischen Material mit einer gewissen Verzögerung in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Diese Verzögerungszeit wird als Relaxationszeit bezeichnet.

Dielektrischer Durchbruch

Wenn die Spannung über einem dielektrischen Material zu groß und das elektrostatische Feld zu stark wird, beginnt das Material, Strom zu leiten. Dieses Phänomen wird als dielektrischer Durchbruch bezeichnet.

In Bauteilen, die Gase oder Flüssigkeiten als dielektrisches Medium verwenden, kehrt sich dieser Zustand um, wenn die Spannung unter den kritischen Punkt sinkt. Bei Bauteilen, die feste Dielektrika enthalten, führt der dielektrische Durchbruch jedoch in der Regel zu einer dauerhaften Schädigung.

Dielektrische Dispersion

Dieser Begriff bezieht sich auf die maximale Polarisation, die das dielektrische Material erreicht. Sie wird von der Relaxationszeit beeinflusst.

Arten von dielektrischen Materialien

Dielektrische Materialien werden nach der Art der im Material vorhandenen Moleküle unterschieden.

Polares Dielektrikum

Bei einem polaren Dielektrikum stimmen die Massenschwerpunkte der positiven und negativen Teilchen nicht überein. Die Moleküle sind asymmetrisch geformt, und es besteht ein Dipolmoment im Material. Wenn ein elektrisches Feld an das Material angelegt wird, richten sich die Moleküle nach dem elektrischen Feld aus. Wenn das Feld entfernt wird, wird das Nettodipolmoment der Moleküle Null.

Beispiele: Wasser und Chlorwasserstoffsäure

Unpolares Dielektrikum

Bei unpolaren dielektrischen Materialien stimmen die Massenschwerpunkte der positiven und negativen Teilchen überein. Die Moleküle sind symmetrisch geformt, und das Dielektrikum hat kein Dipolmoment.

Beispiele: Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff

Die meisten dielektrischen Materialien sind fest. Beispiele hierfür sind:

• Porzellan (Keramik)
• Glimmer
• Glas
• Kunststoff
• viele Metalloxide

Einige Flüssigkeiten und Gase sind ebenfalls gute dielektrische Materialien. Trockene Luft ist ein ausgezeichnetes Dielektrikum und wird in variablen Kondensatoren und einigen Arten von Übertragungsleitungen verwendet. Stickstoff und Helium sind gute dielektrische Gase. Destilliertes Wasser ist ebenfalls ein gutes Dielektrikum. Ein Vakuum ist ein außergewöhnlich effizientes Dielektrikum.

Unterschiede zwischen Dielektrika und Isolatoren

Dielektrika werden oft mit Isolatoren verwechselt, obwohl es Unterschiede zwischen diesen beiden Materialtypen gibt. Zum Beispiel sind alle Dielektrika Isolatoren, aber nicht alle Isolatoren sind Dielektrika. Die Grafik in Abbildung 1 verdeutlicht den Unterschied:

Anwendungen von dielektrischen Materialien

Dielektrische Materialien werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Ladungen zu speichern, werden sie am häufigsten in Kondensatoren und zum Bau von Hochfrequenzübertragungsleitungen verwendet.

Dielektrische Werkstoffe mit hoher Kapazität werden häufig zur Verbesserung der Leistung von Halbleitern eingesetzt. In Transformatoren, Rheostaten, Nebenschlussdrosseln und Erdungsdrosseln dienen dielektrische Materialien, wie zum Beispiel Mineralöle, als Kühlmittel und als Isolatoren.

Dielektrika werden auch in Flüssigkristallanzeigen, Resonatoroszillatoren und abstimmbaren Mikrowellengeräten verwendet. In einigen Anwendungen dienen speziell behandelte Dielektrika als elektrostatisches Äquivalent zu Magneten. In jüngster Zeit wird die Hardware von Rechenzentren manchmal in ein dielektrisches Flüssigkühlmittel getaucht, um die Wärme von der Verarbeitungsinfrastruktur abzuleiten und so die gewünschte Umgebungstemperatur aufrechtzuerhalten.