Polarisation (Elektrizität)

Polarisation (oder dielektrische Polarisation) bedeutet eine Ladungsverschiebung in einem nichtleitenden Material. Das geschieht durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes. Die Ladungsverschiebung in einem Leiter wird hingegen Influenz genannt.

Im Inneren des Körpers erfolgt durch das äußere elektrische Feld eine Ladungstrennung. Im Inneren sowie auch an den Oberflächen ist eine makroskopische Ladungsverteilung (Polarisationsladungen oder gebundene Ladungen) wahrnehmbar.

Polarisationsarten

Verschiebungspolarisation

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

→ Hauptartikel: Verschiebungspolarisation

Elektronenpolarisation: Bei unpolaren Molekülen wird die Elektronenwolke, die den Atomkern umgibt, durch das angelegte externe elektrische Feld gegen den Atomrumpf verschoben. Im Inneren des Körpers entsteht so eine makroskopische, inhomogene Ladungsverteilung. Sobald das externe Feld verschwindet, sind die Orte der Ladungsschwerpunkte wieder identisch. Handelt es sich um ein elektrisches Wechselfeld (siehe Mikrowellenherd), entsteht durch das Hin- und Herschwingen des Kerns keine Wärmeenergie.

Orientierungspolarisation

Dipolmoment eines H₂O-Moleküls.
rot: negative Teilladung
blau: positive Teilladung
grün: gerichteter Dipol

→ Hauptartikel: Orientierungspolarisation

In einigen Molekülsorten wie Wasser sind die Schwerpunkte der positiven bzw. negativen elektrischen Ladungen deutlich voneinander getrennt. Man spricht dann von permanenten Dipolen, deren Richtungen im Grundzustand statistisch verteilt sind. Eine technisch bedeutsame Ausnahme sind die Elektrete, die permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthalten.

Durch die Einwirkung eines externen elektrischen Feldes werden diese Dipole immer besser gleichgerichtet, je stärker dieses Feld ist. Diese Polarisierungsart erfolgt wegen der großen zu bewegenden Massen langsam, ferner ist sie temperaturabhängig. Eine Temperaturerhöhung stört die gleiche Ausrichtung immer mehr. Bei zunehmender Frequenz des elektrischen Feldes verschwindet diese Polarisation als erstes. Dagegen ist die Verschiebungspolarisation nur schwach von der Temperatur abhängig.

Ionenpolarisation

→ Hauptartikel: Ionenpolarisation

Durch das elektrostatische Feld werden die positiven und negativen Ionen eines vorher neutralen Moleküls innerhalb des Ionengitters gegeneinander verschoben, so dass ein Dipol entsteht. Beispiele sind anorganische Isolierstoffe oder Kondensatorkeramik.

Raumladungspolarisation/Grenzflächenpolarisation

Hierbei geht man davon aus, dass in einem Dielektrikum freie Ladungsträger (positive+negative Ionen, Elektronen) vorhanden sind. Ohne äußeres Feld heben sich die einzelnen Ladungen auf, und das Dielektrikum wirkt nach außen elektrisch neutral. Nach Anlegen des äußeren Feldes bewegen sich Ladungsträger zur Elektrode entgegengesetzter Polarität. Es bildet sich ein "makroskopischer Dipol". Quergrenzflächen können diese Wanderung behindern. Die Ladungstrennung innerhalb einer Schicht hat aber nach außen die gleiche Wirkung. Bsp.: Öl-Papier-Isolation, Einschlüsse im Dielektrikum

Mathematische Betrachtung

In der Elektrostatik und in der Elektrodynamik bezeichnet die Polarisation das Vektorfeld, das aus einem permanenten oder induzierten Dipolmoment in einem dielektrischen Material resultiert. Der Polarisationsvektor $\vec{P}$ ist definiert als das Dipolmoment pro Volumen.

Die Abhängigkeit der Polarisation $\vec{P}$ vom elektrischen Feld $\vec{E}$ ist im Allgemeinen nichtlinear und anisotrop:

$P_i / \varepsilon_0 = \sum_j \chi^{(1)}_{ij} E_j + \sum_{jk} \chi_{ijk}^{(2)} E_j E_k + \sum_{jk\ell} \chi_{ijk\ell}^{(3)} E_j E_k E_\ell + \cdots \!$

Die χ⁽ⁱ⁾ sind Tensoren (i + 1)-ter Stufe, ε₀ ist die Vakuum-Dielektrizitätskonstante. χ⁽¹⁾ beschreibt die lineare Suszeptibilität, χ⁽²⁾ ist für den Pockels-Effekt und χ⁽³⁾ für den Kerr-Effekt verantwortlich.

In einem homogenen linearen isotropen dielektrischen Medium ist die Polarisation parallel und proportional zum elektrischen Feld $\vec{E}$:

$\vec{P} = \varepsilon_0 \chi \vec{E}$

wobei χ die elektrische Suszeptibilität des Mediums ist, d. h. $\chi^{(1)}_{ij} = \chi\,\delta_{ij}$ und χ⁽ⁱ⁾ = 0 für $i \ge 2$.

Wenn die Polarisation $\vec{P}$ nicht proportional zum elektrischen Feld $\vec{E}$ ist, dann wird das Medium nichtlinear genannt (→nichtlineare Optik). Wenn die Richtung von $\vec{P}$ nicht parallel zu der von $\vec{E}$ ist, wie das in vielen Kristallen der Fall ist, ist das Medium anisotrop (→Kristalloptik).

Die oben genannten Polarisationsarten summieren sich zu einer Gesamtpolarisation bzw. Gesamtsuszeptibilität auf:

χ = χ_Elektron + χ_Ion + χ_Orientierung

Die einzelnen Suszeptibilitäten sind frequenzabhängig. Für niedrige Frequenzen tragen alle Teile bei. Bei höheren Frequenzen verschwindet zuerst die Orientierungspolarisation (die Moleküle können mit dem schnell wechselnden E-Feld nicht mehr mitrotieren, etwa ab Mikrowellenbereich), dann die ionische Polarisation (die Ionen können wegen ihrer Trägheit dem Feld nicht mehr folgen, etwa ab Infrarot-Bereich) und schließlich die elektronische Polarisation (etwa ab UV-Bereich), sodass die Gesamtsuszeptibilität im Höchstfrequenzbereich auf Null absinkt.

Siehe auch

• Clausius-Mossotti-Gleichung, Debye-Gleichung
• Polarisationsspannung