Dielektrizität

Dielektrizität bezeichnet die Eigenschaft von Materialien, in einem elektrischen Feld polarisiert zu werden und Felder zu speichern, ohne selbst als Leiter zu wirken. In der Praxis spricht man von Dielektrika, wenn die Ladungsträger stark eingeschränkt frei beweglich sind, sodass Ströme überwiegend durch Verschiebung oder Polarisation entstehen.

In einem äußeren Feld richten sich Dipole aus Molekülen oder ausgebreiteten Festkörpern aus; dies führt zu einer Polarisation P des Materials. Man unterscheidet orientationale Polarisation (Ausrichtung vorhandener Dipole) und induzierte Polarisation durch Verschiebung gebundener Ladungen. Bei weiteren Polarisierungsmechanismen können auch kristalline oder rhytmische Strukturen eine Rolle spielen.

Die elektrische Verschiebung D ist definiert durch D = ε0 E + P; bei linearen Dielektrika lässt sich D auch schreiben als D = ε ε0 E, wobei εr = ε/ε0 die relative Dielektrizitätskonstante ist. ε0 beträgt ca. 8,854 × 10^-12 F/m. Die Dielektrizität beschreibt damit, wie stark ein Material ein Feld abschirmt und wie viel Feldenergie es speichern kann. Dielektrische Eigenschaften hängen von Frequenz, Temperatur und Materialzustand ab; wichtige Größen sind die relative Permittivität εr und der Verlustfaktor tan δ, der dissipative Verluste beschreibt.

Typische Dielektrika sind Luft, Glas, Kunststoffe wie Polyethylen, Keramiken und Polymere. In manchen Materialien können nichtlineare oder richtungsabhängige Permittivitäten auftreten.

Auf mikroskopischer Ebene lassen sich Dielektrika durch die Maxwell-Gleichungen beschreiben. Die Gleichungen ∇·D = ρ_free, D = ε0 E + P und P ∝ E (in linearen, isotropen Materialien) fassen das Verhältnis zwischen Feld, Polarisation und Verschiebung zusammen.