Ein Dielektrikum ist ein elektrischer Isolator, der durch ein angewandtes elektrisches Feld polarisiert werden kann. Wenn ein Dielektrikum in ein elektrisches Feld gelegt wird, fließen elektrische Anklagen durch das Material nicht, wie sie in einem Leiter tun, aber sich nur ein bisschen von ihren durchschnittlichen Gleichgewicht-Positionen bewegen, die dielektrische Polarisation verursachen. Wegen der dielektrischen Polarisation werden positive Anklagen zum Feld und der negativen Anklage-Verschiebung in der entgegengesetzten Richtung versetzt. Das schafft ein inneres elektrisches Feld, das das gesamte Feld innerhalb des Dielektrikums selbst reduziert. Wenn ein Dielektrikum aus schwach verpfändeten Molekülen zusammengesetzt wird, werden jene Moleküle nicht nur polarisiert, sondern auch stellen neu ein, so dass sich ihre Symmetrie-Achse zum Feld ausrichtet.

Obwohl der Begriff "Isolator" niedrige elektrische Leitfähigkeit einbezieht, wird "Dielektrikum" normalerweise verwendet, um Materialien mit einer hohen Polarisierbarkeit zu beschreiben. Der Letztere wird durch eine Zahl genannt die dielektrische Konstante ausgedrückt. Der Begriff Isolator wird allgemein gebraucht, um elektrisches Hindernis anzuzeigen, während der Begriff Dielektrikum gebraucht wird, um die Energiespeicherungskapazität des Materials (mittels der Polarisation) anzuzeigen. Ein allgemeiner, noch bemerkenswert, ist das Beispiel eines Dielektrikums der elektrisch Dämmstoff zwischen den metallischen Tellern eines Kondensators. Die Polarisation des Dielektrikums durch das angewandte elektrische Feld vergrößert die Flächenladung des Kondensators.

Die Studie von dielektrischen Eigenschaften ist mit der Lagerung und Verschwendung der elektrischen und magnetischen Energie in Materialien beschäftigt. Es ist wichtig, verschiedene Phänomene in der Elektronik, Optik und Halbleiterphysik zu erklären.

Der Begriff "" wurde von William Whewell (von "-elektrisch") als Antwort auf eine Bitte von Michael Faraday ins Leben gerufen.

Elektrische Empfänglichkeit

Die elektrische Empfänglichkeit χ eines dielektrischen Materials ist ein Maß dessen, wie leicht sie sich als Antwort auf ein elektrisches Feld spaltet. Das bestimmt abwechselnd den elektrischen permittivity des Materials und beeinflusst so viele andere Phänomene in diesem Medium von der Kapazität von Kondensatoren zur Geschwindigkeit des Lichtes.

Es wird als die Konstante der Proportionalität definiert (der ein Tensor sein kann) Verbindung eines elektrischen Feldes E zur veranlassten dielektrischen Polarisationsdichte P solch dass

:

{\\mathbf P\= \varepsilon_0\chi_e {\\mathbf E\,

</Mathematik>

wo der elektrische permittivity des freien Raums ist.

Die Empfänglichkeit eines Mediums ist mit seinem relativen permittivity durch verbunden

:

So im Fall von einem Vakuum,

:

Die elektrische Versetzung D ist mit der Polarisationsdichte P durch verbunden

:

\mathbf {D} \= \\varepsilon_0\mathbf {E} + \mathbf {P} \= \\varepsilon_0 (1 +\chi_e) \mathbf {E} \= \\varepsilon_r \varepsilon_0 \mathbf {E}.

</Mathematik>

Streuung und Kausalität

Im Allgemeinen kann sich ein Material nicht sofort als Antwort auf ein angewandtes Feld spalten. Die allgemeinere Formulierung als eine Funktion der Zeit ist

:

D. h. die Polarisation ist eine Gehirnwindung des elektrischen Feldes in vorherigen Malen mit der zeitabhängigen Empfänglichkeit, die dadurch gegeben ist. Die obere Grenze dieses Integrals kann zur Unendlichkeit ebenso erweitert werden, wenn man dafür definiert

Es ist in einem geradlinigen System günstiger, den Fourier zu nehmen, gestalten um und schreiben diese Beziehung als eine Funktion der Frequenz. Wegen des Gehirnwindungslehrsatzes wird das Integral ein einfaches Produkt,

:

Bemerken Sie die einfache Frequenzabhängigkeit der Empfänglichkeit, oder gleichwertig den permittivity. Die Gestalt der Empfänglichkeit in Bezug auf die Frequenz charakterisiert die Streuungseigenschaften des Materials.

Außerdem, die Tatsache, dass die Polarisation nur vom elektrischen Feld in vorherigen Malen abhängen kann (d. h. dafür

Dielektrische Polarisation

Grundlegendes Atommodell

In der klassischen Annäherung an das dielektrische Modell wird ein Material aus Atomen zusammengesetzt. Jedes Atom besteht aus einer Wolke der negativen Anklage (Elektronen), die zu und Umgebung einer positiven Punkt-Anklage an seinem Zentrum gebunden sind. In Gegenwart von einem elektrischen Feld wird die Anklage-Wolke, wie gezeigt, im Spitzenrecht auf die Zahl verdreht.

Das kann auf einen einfachen Dipol mit dem Überlagerungsgrundsatz reduziert werden. Ein Dipol wird vor seinem Dipolmoment, eine in der Zahl gezeigte Vektor-Menge charakterisiert, weil der blaue Pfeil M etikettiert hat. Es ist die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und der Dipolmoment, der das Verhalten des Dielektrikums verursacht. (Bemerken Sie, dass, wie man zeigt, der Dipolmoment in derselben Richtung wie das elektrische Feld hinweist. Das ist nicht immer richtig, und es ist eine Hauptvereinfachung, aber es ist für viele Materialien passend.)

Wenn das elektrische Feld der Atom-Umsatz zu seinem ursprünglichen Staat entfernt wird. Die Zeit, die erforderlich ist, so zu tun, ist die so genannte Entspannungszeit; ein Exponentialzerfall.

Das ist die Essenz des Modells in der Physik. Das Verhalten des Dielektrikums hängt jetzt von der Situation ab. Das mehr komplizierte die Situation das reichere, das das Modell sein muss, um das Verhalten genau zu beschreiben. Wichtige Fragen sind:

Ist

• das elektrische Feld unveränderlich, oder ändert es sich mit der Zeit?
• Wenn sich das elektrische Feld wirklich, woran Rate ändert?
• Wie sind die Eigenschaften des Materials?
• Ist die Richtung vom Feld wichtig (Isotropie)?
• Ist das Material dasselbe den ganzen Weg durch (homogener)?
• Gibt es irgendwelche Grenzen/Schnittstellen die müssen in Betracht gezogen werden?

Ist

• das System geradlinig, oder müssen Nichtlinearitäten in Betracht gezogen werden?

Die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld E und der Dipolmoment M verursacht das Verhalten des Dielektrikums, das, für ein gegebenes Material, durch die Funktion F definiert durch die Gleichung charakterisiert werden kann:

:.

Als sowohl der Typ des elektrischen Feldes als auch der Typ des Materials definiert worden sind, wählt man dann die einfachste Funktion F, der richtig die Phänomene von Interesse voraussagt. Beispiele von Phänomenen, die so modelliert werden können, schließen ein:

• Brechungsindex
• Gruppengeschwindigkeitsstreuung
• Doppelbrechung
• Selbstfokussierung
• Harmonische Generation

Zweipolige Polarisation

Zweipolige Polarisation ist eine Polarisation, die irgendein zu polaren Molekülen (Orientierungspolarisation) innewohnend ist, oder in jedem Molekül veranlasst werden kann, in dem die asymmetrische Verzerrung der Kerne (Verzerrungspolarisation) möglich ist. Orientierungspolarisation ergibt sich aus einem dauerhaften Dipol, z.B dieses Entstehen aus dem ca. 104 Winkel zwischen den asymmetrischen Obligationen zwischen Sauerstoff und Wasserstoffatomen im Wassermolekül, das Polarisation ohne ein elektrisches Außenfeld behält. Der Zusammenbau dieser Dipole bildet eine makroskopische Polarisation.

Wenn ein elektrisches Außenfeld angewandt wird, bleibt die Entfernung zwischen Anklagen, die mit dem chemischen Abbinden verbunden ist, unveränderlich in der Orientierungspolarisation; jedoch rotiert die Polarisation selbst. Diese Folge kommt auf einer Zeitskala vor, die vom Drehmoment und der lokalen Umgebungsviskosität der Moleküle abhängt. Weil die Folge nicht ist, verlieren sofortige, zweipolige Polarisationen die Antwort auf elektrische Felder an der niedrigsten Frequenz in Polarisationen. Ein Molekül rotiert über 1ps pro radian in einer Flüssigkeit, so kommt dieser Verlust an ungefähr 10 Hz (im Mikrowellengebiet) vor. Die Verzögerung der Antwort auf die Änderung des elektrischen Feldes verursacht Reibung und Hitze.

Wenn ein elektrisches Außenfeld in infrarot angewandt wird, wird ein Molekül gebogen und durch das Feld und die molekularen Moment-Änderungen als Antwort gestreckt. Die Molekülschwingungsfrequenz ist ungefähr das Gegenteil der für das Molekül genommenen Zeit, um sich zu biegen, und die Verzerrungspolarisation verschwindet über infrarot.

Ionische Polarisation

Ionische Polarisation ist Polarisation, die durch Verhältnisversetzungen zwischen positiven und negativen Ionen in ionischen Kristallen (zum Beispiel, NaCl) verursacht wird.

Wenn Kristalle oder Moleküle aus nur Atomen derselben Art nicht bestehen, neigt sich der Vertrieb von Anklagen um ein Atom in den Kristallen oder Molekülen nach dem positiven oder negativen. Infolgedessen, wenn Gitter-Vibrationen oder Molekülschwingungen Verhältnisversetzungen der Atome veranlassen, könnten die Zentren von positiven und negativen Anklagen in verschiedenen Positionen sein. Diese Zentrum-Positionen werden durch die Symmetrie der Versetzungen betroffen. Wenn die Zentren nicht entsprechen, entstehen Polarisationen in Molekülen oder Kristallen. Diese Polarisation wird ionische Polarisation genannt.

Ionische Polarisation verursacht eisenelektrischen Übergang sowie zweipolige Polarisation. Der Übergang, der durch die Ordnung der Richtungsorientierungen von dauerhaften Dipolen entlang einer besonderen Richtung verursacht wird, wird Ordnungsunordnungsphase-Übergang genannt. Der Übergang, der durch ionische Polarisationen in Kristallen verursacht wird, wird displacive Phase-Übergang genannt.

Dielektrische Streuung

In der Physik ist dielektrische Streuung die Abhängigkeit des permittivity eines dielektrischen Materials auf der Frequenz eines angewandten elektrischen Feldes. Weil es immer einen Zeitabstand zwischen Änderungen in der Polarisation und Änderungen in einem elektrischen Feld gibt, ist der permittivity des Dielektrikums eine komplizierte, Komplex-geschätzte Funktion der Frequenz des elektrischen Feldes. Es ist für die Anwendung dielektrischer Materialien und die Analyse von Polarisationssystemen sehr wichtig.

Das ist ein Beispiel eines allgemeinen als materielle Streuung bekannten Phänomenes: eine frequenzabhängige Antwort eines Mediums für die Welle-Fortpflanzung.

Wenn die Frequenz höher wird:

1. es wird unmöglich für die zweipolige Polarisation, dem elektrischen Feld im Mikrowellengebiet ungefähr 10 Hz zu folgen;
2. im Infrarot- oder Weit-Infrarotgebiet verlieren ungefähr 10 Hz, der ionischen Polarisation und der molekularen Verzerrungspolarisation die Antwort auf das elektrische Feld;
3. elektronische Polarisation verliert seine Antwort im ultravioletten Gebiet ungefähr 10 Hz.

Im Frequenzgebiet über dem ultravioletten nähert sich permittivity dem unveränderlichen ε in jeder Substanz, wo ε der permittivity des freien Raums ist. Weil permittivity die Kraft der Beziehung zwischen einem elektrischen Feld und Polarisation anzeigt, wenn ein Polarisationsprozess seine Antwort, permittivity Abnahmen verliert.

Dielektrische Entspannung

Dielektrische Entspannung ist die kurze Verzögerung (oder Zeitabstand) in der dielektrischen Konstante eines Materials. Das wird gewöhnlich durch die Verzögerung in der molekularen Polarisation in Bezug auf ein sich änderndes elektrisches Feld in einem dielektrischen Medium (z.B innerhalb von Kondensatoren oder zwischen zwei großen Leiten-Oberflächen) verursacht. Die dielektrische Entspannung im Ändern von elektrischen Feldern konnte analog der magnetischen Trägheit im Ändern magnetischer Felder (für Induktoren oder Transformatoren) betrachtet werden. Entspannung ist im Allgemeinen eine Verzögerung oder Zeitabstand in der Antwort eines geradlinigen Systems, und deshalb wird dielektrische Entspannung hinsichtlich des erwarteten geradlinigen unveränderlichen Staates (Gleichgewicht) dielektrische Werte gemessen. Der zeitliche Abstand zwischen elektrischem Feld und Polarisation bezieht eine irreversible Degradierung der freien Energie (G) ein.

In der Physik bezieht sich dielektrische Entspannung auf die Entspannungsantwort eines dielektrischen Mediums zu einem elektrischen Außenfeld von Mikrowellenfrequenzen. Diese Entspannung wird häufig in Bezug auf permittivity als eine Funktion der Frequenz beschrieben, die, für ideale Systeme, durch die Gleichung von Debye beschrieben werden kann. Andererseits hat sich die Verzerrung auf das ionische und elektronische Polarisationsshow-Verhalten der Klangfülle oder des Oszillator-Typs bezogen. Der Charakter des Verzerrungsprozesses hängt von der Struktur, der Zusammensetzung und den Umgebungen der Probe ab.

Die Zahl von möglichen Wellenlängen der ausgestrahlten Radiation wegen der dielektrischen Entspannung kann mit dem ersten Gesetz von Hemmings (genannt nach Mark Hemmings) ausgeglichen werden

:

wo

:n ist die Zahl von verschiedenen möglichen Wellenlängen der ausgestrahlten Radiation

: ist die Zahl von Energieniveaus (einschließlich des Boden-Niveaus).

Entspannung von Debye

Entspannung von Debye ist die dielektrische Entspannungsantwort eines Ideales, aufeinander nichtwirkende Bevölkerung von Dipolen zu einem elektrischen Wechselaußenfeld. Es wird gewöhnlich im Komplex permittivity eines Mediums als eine Funktion der Frequenz des Feldes ausgedrückt:

:

\hat {\\varepsilon} (\omega) = \varepsilon_ {\\infty} + \frac {\\Delta\varepsilon} {1+i\omega\tau},

</Mathematik>

wo der permittivity an der hohen Frequenzgrenze ist, wo die statische, niedrige Frequenz permittivity ist, und die charakteristische Entspannungszeit des Mediums ist.

Dieses Entspannungsmodell wurde dadurch eingeführt und nach dem Chemiker Peter Debye (1913) genannt.

Varianten der Gleichung von Debye

• Gleichung des Kohls-Kohls
• Gleichung von Cole-Davidson
• Havriliak-Negami Entspannung
• Kohlrausch-Williams-Watts Funktion (Fourier verwandeln sich von der gestreckten Exponentialfunktion)

Anwendungen

Kondensatoren

Gewerblich verfertigte Kondensatoren verwenden normalerweise ein festes dielektrisches Material mit hohem permittivity als das vorläufige Medium zwischen den versorgten positiven und negativen Anklagen. Auf dieses Material wird häufig in technischen Zusammenhängen als das "Kondensatordielektrikum" verwiesen.

Der offensichtlichste Vorteil für das Verwenden solch eines dielektrischen Materials besteht darin, dass es die Leiten-Teller verhindert, auf denen die Anklagen davon versorgt werden, in direkten elektrischen Kontakt einzutreten. Bedeutender, jedoch, erlaubt ein hoher permittivity einer größeren Anklage, an einer gegebenen Stromspannung versorgt zu werden. Das kann durch das Behandeln des Falls eines geradlinigen Dielektrikums mit permittivity ε und Dicke d zwischen zwei Leiten-Tellern mit der gleichförmigen Anklage-Dichte σ gesehen werden. In diesem Fall wird die Anklage-Dichte durch gegeben

:

und die Kapazität pro Einheitsgebiet durch

:

Davon kann es leicht gesehen werden, dass ein größerer ε zu größerer Anklage versorgt und so größerer Kapazität führt.

Dielektrische für Kondensatoren verwendete Materialien werden auch solch gewählt, dass sie gegen die Ionisation widerstandsfähig sind. Das erlaubt dem Kondensator, an höheren Stromspannungen zu funktionieren, bevor das Isolieren-Dielektrikum in Ionen zerfällt und beginnt, unerwünschten Strom zu erlauben.

Dielektrischer Resonator

Ein dielektrischer Resonator-Oszillator (DRO) ist ein elektronischer Bestandteil, der Klangfülle für eine schmale Reihe von Frequenzen allgemein im Mikrowellenband ausstellt. Es besteht aus einem "Puck" der Keramik, die eine große dielektrische Konstante und einen niedrigen Verschwendungsfaktor hat. Solche Resonatore werden häufig verwendet, um eine Frequenzverweisung in einem Oszillator-Stromkreis zur Verfügung zu stellen. Ein ungeschützter dielektrischer Resonator kann als Dielectric Resonator Antenna (DRA) verwendet werden.

Einige praktische Dielektriken

Dielektrische Materialien können Festkörper, Flüssigkeiten oder Benzin sein. Außerdem kann ein Hochvakuum auch ein nützlicher, lossless Dielektrikum sein, wenn auch seine dielektrische Verhältniskonstante nur Einheit ist.

Feste Dielektriken sind vielleicht die meistens verwendeten Dielektriken in der Elektrotechnik, und viele Festkörper sind sehr gute Isolatoren. Einige Beispiele schließen Porzellan, Glas und den grössten Teil von Plastik ein. Luft, Stickstoff und Schwefel hexafluoride sind die drei meistens hat gasartige Dielektriken verwendet.

• Industrieüberzüge wie parylene stellen eine dielektrische Barriere zwischen dem Substrat und seiner Umgebung zur Verfügung.
• Mineralöl wird umfassend innerhalb von elektrischen Transformatoren als ein flüssiges Dielektrikum verwendet und beim Abkühlen zu helfen. Dielektrische Flüssigkeiten mit höheren dielektrischen Konstanten, wie elektrisches Rang-Kastoröl, werden häufig in Hochspannungskondensatoren verwendet, um zu helfen, Korona-Entladung und Zunahme-Kapazität zu verhindern.
• Weil Dielektriken dem Fluss der Elektrizität widerstehen, kann die Oberfläche eines Dielektrikums gestrandete elektrische Überanklagen behalten. Das kann zufällig vorkommen, wenn das Dielektrikum (die triboelectric Wirkung) gerieben wird. Das, kann als in einem Generator von Van de Graaff oder electrophorus nützlich sein, oder es kann als im Fall von der elektrostatischen Entladung potenziell zerstörend sein.
• Besonders bearbeitete Dielektriken, genannt electrets (der mit ferroelectrics nicht verwirrt sein sollte), können innere Überanklage oder "eingefroren in der" Polarisation behalten. Electrets haben ein halb dauerndes elektrisches Außenfeld, und sind die elektrostatische Entsprechung zu Magneten. Electrets haben zahlreiche praktische Anwendungen zuhause und Industrie.
• Einige Dielektriken können einen potenziellen Unterschied, wenn unterworfen, mechanischer Betonung erzeugen, oder physische Gestalt ändern, wenn eine Außenstromspannung über das Material angewandt wird. Dieses Eigentum wird piezoelectricity genannt. Piezoelektrische Materialien sind eine andere Klasse von sehr nützlichen Dielektriken.
• Einige ionische Kristalle und Polymer-Dielektriken stellen einen spontanen Dipolmoment aus, der durch ein äußerlich angewandtes elektrisches Feld umgekehrt werden kann. Dieses Verhalten wird die eisenelektrische Wirkung genannt. Diese Materialien sind der Weise analog, wie sich eisenmagnetische Materialien innerhalb eines äußerlich angewandten magnetischen Feldes benehmen. Eisenelektrische Materialien haben häufig sehr hohe dielektrische Konstanten, sie ziemlich nützlich für Kondensatoren machend.

Siehe auch

• Beziehung von Clausius-Mossotti
• Dielektrische Kraft
• Dielektrische Spektroskopie
• EIA Dielektrikum der Klasse 1
• EIA Dielektrikum der Klasse 2
• Hohes-k Dielektrikum
• Niedriges-k Dielektrikum
• Leckage
• Geradlinige Ansprechfunktion
• Metamaterial
• Paraelektrizität
• RC-Verzögerung

Brownsche

• Rotationsbewegung

Weiterführende Literatur

• 808 oder 832 Seiten.
• 448 Seiten.

Links

• Elektromagnetismus - Ein Kapitel aus einem Online-Lehrbuch
• Dielektrischer Bereich in einem elektrischen Feld
• DoITPoMS lehrend und das Lernen des Pakets "dielektrische Materialien"