Dielektrikverluste

Dielektrikverluste bezeichnen die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme innerhalb eines Dielektrikums, wenn es Wechselspannungen ausgesetzt ist. Sie entstehen, weil die Polarisation der Moleküle oder Ladungsträger dem wechselnden Feld nicht mit der gleichen Phasenlage folgt. Dadurch geht ein Teil der Energie als Wärme verloren. Die Verluste werden durch die komplexe relative Permittivität ε* beschrieben: ε* = ε' − iε''. ε' speichert Energie, ε'' ist der dissipative Anteil. Der Verlustwinkel δ (tan δ = ε''/ε') quantifiziert die Verluste pro Zyklus. Die im Feld verrichtete Verlustleistung pro Volumen lautet P = 1/2 ω ε0 ε'' E^2.

Ursachen und Mechanismen: Dielektrische Verluste entstehen durch verschiedene Prozesse. Die orientierbare Dipolpolarisation (Debye-Relaxation) zeigt eine zeitliche Verzögerung und erzeugt frequenzabhängige Verluste. Elektronische und ionische Polarisation tragen, besonders bei hohen Frequenzen oder Temperaturen, zur ε'' bei. Raumladungs- bzw. Grenzflächenpolarisierung kann in unregelmäßigen oder mikrokristallinen Materialien auftreten. Leckströme infolge endlicher Leitfähigkeit führen ebenfalls zu Verlusten. In Ferroelektrika treten zusätzlich hysteretische Verluste auf.

Messung und Bedeutung: Dielektrikverluste werden durch Messung von tan δ oder durch Impedanzspektroskopie bestimmt. Sie sind kritisch für die Effizienz von Kondensatoren, Transformatoren, Isolierstoffen und Mikrowellenmaterialien. Die Verluste hängen stark von Temperatur und Frequenz ab; oft nimmt der Verlustfaktor mit steigender Temperatur zu, und die dominanten Verlustmechanismen wechseln mit der Frequenz.

Reduzierung: Die Verluste lassen sich durch Materialauswahl, Reinheit, Mikrostrukturoptimierung und geeignete Formulierungen verringern. Eine niedrige Loss-Tangent wird angestrebt, um Heating und Effizienzverluste zu minimieren.