Dielektrikum

Als Dielektrikum (Mehrzahl: Dielektrika) wird jede elektrisch schwach- oder nichtleitende, nichtmetallische Substanz bezeichnet, deren Ladungsträger im Allgemeinen nicht frei beweglich sind. Ein Dielektrikum kann sowohl ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein.^[1] Von Dielektrika spricht man üblicherweise, wenn diese Materialien mit elektrischen oder elektromagnetischen Feldern beaufschlagt werden. Dielektrika sind typischerweise unmagnetisch.

Wirkt z. B. 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 (v. griech. dia-: „durch“, d. h. das Feld geht durch das Material). Es muss dazu 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, d. h. im zeitlich konstanten Fall, und in einem isotropen Medium durch die Permittivität ε über folgende Beziehung verknüpft sind:

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

Die Permittivität setzt sich aus der elektrischen Feldkonstante ε₀ und der materialspezifischen Permittivitätszahl oder Dielektrizitätszahl $\varepsilon_r$ (Werte größer 1; die Dielektrizitätszahl von Luft ist annähernd 1 wie im Vakuum) zusammen:

ε = ε₀ε_r

Begriffsverwendung

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

Weiterhin wird die Flüssigkeit einer Funkenerodiermaschine, die verhindert, dass die Funken der Elektrode zu lang sind, 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:

1. Verschiebungspolarisation: Elektrische Dipole werden induziert, d. h. 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.
2. Orientierungspolarisation: Ausrichtung ungeordneter, permanenter Dipole eines Isolators im elektrischen Feld gegen ihre thermische Bewegung. 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 Permittivitätszahl bzw. Dielektrizitätszahl $\varepsilon_r$, 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 Dielektrizitätszahl $\varepsilon_r$ ist, desto mehr Energie kann in dem elektrischen Feld zwischen den Platten eines Kondensators gespeichert werden. Die Dielektrizitätszahl 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, d. h. ab welcher Spannung das Dielektrikum seine Isolationseigenschaften verliert und es zu Überschlägen zwischen den Kondensatorbelägen kommt.

Je nach Anwendung spielt auch der dielektrische Verlustfaktor bei Kondensator-Dielektrika eine Rolle. Er führt bei Wechselspannung zur Erwärmung des Kondensators.

Dielektrika in Kabeln, Hochfrequenz- und Hochspannungs-Bauteilen

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

Dielektrische Antennenelemente und dielektrische Wellenleiter werden in der Hochfrequenztechnik verwendet und gehorchen hier den gleichen Gesetzen der Brechung wie in der Optik bzw. bei Lichtleitkabeln.

Typische Dielektrika in Hochfrequenz-Anwendungen sind Polyethylen, PTFE, Keramik (z. B. Steatit, Aluminiumoxid), Glimmer oder Luft.

Dielektrika für Hochfrequenz-Anwendungen müssen im Allgemeinen besonders geringe dielektrische Verlustfaktoren aufweisen.

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

Literatur

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.