Materialeigenschaften: Dielektrika

1. Materialeigenschaften:Dielektrika Antwort auf ein elektrisches Feld

2. Inhalt • Definition der Dielektrizitätszahl • Materialeigenschaften, makroskopisch und auf atomarer Skala: • Verschiebungspolarisation • Orientierungspolarisation • Dielektrika • Parelektrika • Ferroelektrika • Pyroelektrika • Piezoelektrika

3. Die Dielektrizitätszahl • Ein elektrisches Feld verschiebt die Ladungsschwerpunkte in der Materie (Polarisation) • Die getrennten Ladungen verursachen ein Gegenfeld • Zwischen den Platten eines Kondensators fällt deshalb die Spannung bei konstanter Ladung: Die Kapazität wird größer

4. Die Spannung als Funktion der Feldstärke Volt 1 0 0,5

5. Die Spannung als Funktion der Feldstärke mit Dielektrikum Volt 1 0 0,5 Durch Polarisation erzeugtes Gegenfeld

6. Die Spannung als Funktion der Ladung Volt 1 0 0,5

7. Definition der Dielektriziätszahl εr

8. Kleinere Spannung bei gleicher Ladung

9. Kleinere Feldstärke im Kondensator mit Dielektrikum

10. Versuch • Ein Kondensator wird statisch aufgeladen und dessen Spannung mit einem Elektrometer überprüft. • Wird ein Dielektrikum eingebracht, dann sinkt die Spannung, wegen steigt also die Kapazität C. Bei entfernen des Dielektrikums steigt sie auf ihren ursprünglichen Wert.

11. Spannung mit und ohne Dielektrikum

12. Weitere, aus der Dielektrizitätszahl abgeleitete Größen

13. Polarisation auf atomarer Skala Im Material erscheinen Dipole, Grund: • Verschiebungspolarisation • Ursache für Dielektrizität, in allen Materialien vorhanden • Orientierungspolarisation • Erscheint in Parelektrischen Materialien • Voraussetzung: Polare Moleküle • Im elektrischen Feld werden sie ausgerichtet • Die thermische Bewegung verhindert vollständige Ausrichtung • Häufigkeit der Orientierung entsprechend dem Boltzmannfaktor • Ferroelektrizität: kollektive Polarisation im Gitter

14. Dipole in Materie

15. Verschiebungspolarisation • Die Schwerpunkte der Ladungen verschieben sich im äußeren Feld • Neutrale Atome werden zu Dipolen • Temperaturunabhängig • Schnell, in Phase mit der Anregung, folgt den Lichtwellen und verursacht den Brechungsindex (Ausnahme: Resonanzen), • Die Strahlung der angeregten Dipole istUrsache der „kohärentenStreuung“ • Schwacher Effekt, ist aber immer vorhanden • Keine Sättigung, wächst mit der Feldstärke

16. Verschiebungspolarisation Atom mit Kern und negativer Elektronenwolke

17. Verschiebungspolarisation Feldrichtung Molekularer Dipol

18. Orientierungspolarisation: Parelektrische Stoffe • Auf vorhandene Dipole wirkt ein Drehmoment im äußeren Feld • Dipole drehen sich in Feldrichtung • Temperaturbewegung stört die Ausrichtung • Hinkt dem Feld nach, je mehr, je höher viskos das Medium ist • Sättigung ist erreicht, wenn alle Dipole ausgerichtet sind

19. Orientierungspolarisation Dipol, z. B. Wasser

20. Orientierungspolarisation Dipol, z. B. Wasser, Schwerpunkte der positiven und negativen Ladung

21. Elektrische Dipole

22. Verknüpfung zwischen Dielektrizitätszahl ε und mikroskopischer Polarisierbarkeit p

23. Versuch • Kraft auf einen Wasserstrahl. Ein statisch geladener Stab induziert Dipole im Wasser, diese streben zum geladenen Stab.

24. Versuch • Kraft auf Luftblasen in Öl. Eine in einem Ölbad befindliche Spitze wird aufgeladen. Im Öl entstehen Dipole, die zur Spitze streben. Die Luftblasen stören dabei, sie werden von der Spitze weg gedrängt.

25. Sättigung P E Parelektrische Materialien

26. Ferroelektrika • Ferroelektrika sind kristalline Materialien • Unterhalb der „Curie Temperatur“ erscheinen permanente Dipole • Im elektrischen Feld bewirkt die Wechselwirkung zwischen den Gitterplätzen eine kollektive Ausrichtung • Sehr hohe Dielektrizitätszahl

27. Polarisation in Ferroelektrika Beispiel: Einheitszelle eines BaTiO3 Kristalls. Unterhalb Tc, der Curie Temperatur, verschiebt sich der Schwerpunkt der negativen gegenüber der positiven Ladung

28. P E Hysterese Ferroelektrische Materialien

29. Versuch • Hysterese am BaTiO3

30. Piezoelektrische Materialien • Kristalline Materialien, Coulombkräfte zwischen polaren Baugruppen sind im Gleichgewicht mit elastischen Kräften • Mechanischer Druck ändert die Länge des Bauteils und stört das Gleichgewicht: Es erscheinen Ladungen an den Oberflächen • Umkehrung des Effekts: Ein elektrisches Feld ändert die Längen • Anwendung: Elektro-mechanische Aktoren

31. Versuch • Spannung am Seignette-Salz bei zunehmendem Druck

32. Pyroelektrische Materialien • Analog zu den piezoelektrischen Materialien, anstelle des mechanischen Drucks steht die Temperatur: • Die Temperatur ändert die Länge des Bauteils und stört das Gleichgewicht: Es erscheinen Ladungen an den Oberflächen

33. Schema eines piezoelektrischen Kristalls

34. Zusammenfassung Definition der Dielektrizitätszahl εr: Quotient, • Zähler: Kapazität mit Material • Nenner: Kapazität ohne Material Eigenschaften der Materialien in allen Aggregatzuständen: • Dielektrika: Dipole entstehen im Feld, 1< εr <10 • Parelektrika: Vorhandene Dipole werden im Feld ausgerichtet, 10< εr <100 Nur in Kristallen: • Ferroelektrika, Ausrichtung großer polarer Bereiche, 103 < εr <105 • Pyroelektrika: Dipole entstehen bei Erwärmung • Piezoelektrika: Dipole entstehen bei Druck • Anwendung: Elektromechanische Aktoren

35. Aggregatzustand, Ladungsträger und Leitfähigkeit