Dielektrische Materialien

Dielektrische Materialien

Dielektrische Materialien sind im Wesentlichen Isolatoren, was bedeutet, dass kein Strom durch das Material fließt, wenn eine Spannung angelegt wird. Allerdings finden bestimmte Veränderungen auf atomarer Ebene statt. Wenn eine Spannung an ein dielektrisches Objekt angelegt wird, wird es polarisiert. Da Atome aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen bestehen, ist die Polarisierung ein Effekt, der die Elektronen leicht in Richtung der positiven Spannung verschiebt. Sie wandern nicht weit genug, um einen Stromfluss durch das Material zu erzeugen – die Verschiebung ist mikroskopisch klein, hat aber einen sehr wichtigen Effekt, vor allem wenn es um Kondensatoren geht. Sobald die Spannungsquelle aus dem Material entfernt wird, kehrt es entweder in seinen ursprünglichen, nicht polarisierten Zustand zurück oder bleibt polarisiert, wenn die molekularen Bindungen im Material schwach sind. Der Unterschied zwischen den Begriffen Dielektrikum und Isolator ist nicht sehr gut definiert. Alle dielektrischen Materialien sind Isolatoren, aber ein gutes Dielektrikum ist eines, das sich leicht polarisieren lässt.

Die Stärke der Polarisation, die auftritt, wenn eine bestimmte Spannung an ein Objekt angelegt wird, beeinflusst die Menge an elektrischer Energie, die im elektrischen Feld gespeichert ist. Dies wird durch die Dielektrizitätskonstante des Materials beschrieben. Die Dielektrizitätskonstante ist nicht die einzige Eigenschaft von dielektrischen Materialien. Andere Eigenschaften wie die Durchschlagsfestigkeit und der dielektrische Verlust sind ebenso wichtig bei der Auswahl von Materialien für einen Kondensator in einer bestimmten Anwendung.

Dielektrizitätskonstante

Die Dielektrizitätskonstante eines Materials, auch Dielektrizitätskonstante genannt, stellt die Fähigkeit eines Materials dar, elektrostatische Flusslinien zu konzentrieren. Praktischer ausgedrückt, stellt sie die Fähigkeit eines Materials dar, elektrische Energie in Gegenwart eines elektrischen Feldes zu speichern. Alle Materialien, einschließlich Vakuum, speichern Energie, wenn sie sich in einem elektrischen Feld befinden. Die Permittivität des Vakuums ist definiert als die physikalische Konstante ε0, die ungefähr ε0 = 8,854 x 10-12 Farad pro Meter beträgt. Diese Konstante kommt in vielen Formeln des Elektromagnetismus vor.

Da die meisten Kondensatoren nicht aus Vakuum bestehen, ist es sinnvoll, die Permittivität für jedes Material zu definieren. Die Permittivität eines Materials ist definiert als ε=εrε0, wobei ε die absolute Permittivität und er die relative Permittivität ist. εr ist eine Zahl, die immer größer als 1 ist, was bedeutet, dass alle Materialien mehr Energie speichern als der freie Raum, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Diese Eigenschaft ist bei Kondensatoranwendungen recht nützlich, und wir werden dies in diesem Artikel weiter erläutern. Es sollte beachtet werden, dass die relative Dielektrizitätskonstante von vielen Faktoren abhängt, wie z. B. Temperatur, Druck und sogar Frequenz, weshalb Materialien mit einer stabileren Dielektrizitätskonstante in einigen Anwendungen bevorzugt werden.

Die verschiedenen Materialien haben unterschiedliche Werte der relativen Dielektrizitätskonstante. Hier finden Sie eine Liste von Materialien, die häufig in Kondensatoren verwendet werden, zusammen mit ihren er-Werten bei der Frequenz von 1kHz bei Raumtemperatur, die als schnelle Referenz verwendet werden kann und die große Bandbreite der Werte zeigt, die in der Praxis anzutreffen sind:

Durchschlagsfestigkeit

Unglücklicherweise gibt es eine Grenze für die Spannung, die ein Isolator aushalten kann, bevor er Strom leitet. Alle Materialien haben eine obere Spannungsgrenze, die sogenannte Durchschlagsspannung. Ein gutes Beispiel dafür ist Luft. Sie gilt als Isolator, kann aber unter bestimmten Umständen Strom fließen lassen. Genau das passiert bei einem Blitzeinschlag. Nach Überschreiten der Durchbruchfeldstärke wird die Luft ionisiert (Elektronen werden aus dem Atomkern herausgerissen) und sie beginnen sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu bewegen, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Es ist sehr wichtig, die maximale Nennspannung eines Kondensators nicht zu überschreiten, um eine Beschädigung oder sogar vollständige Zerstörung zu vermeiden. Die Durchschlagfestigkeit von Luft beträgt ca. 3 Megavolt pro Meter. Im Vergleich dazu beträgt die Durchschlagsfestigkeit für Glimmer ca. 120 MV/m. Die Wahl des dielektrischen Materials ist sehr wichtig bei einigen Anwendungen, bei denen hohe Spannungen zu erwarten sind, oder wenn die Dicke des Dielektrikums sehr gering ist.

Dielektrischer Verlust

Der Begriff dielektrischer Verlust bezieht sich auf die Energie, die bei der Erwärmung eines Objekts, das aus einem dielektrischen Material besteht, verloren geht, wenn eine variable Spannung daran angelegt wird. Diese Verluste treten auf, weil die winzigen Elektronenverschiebungen, wenn das Material seine Polarisation ändert, als winziger Wechselstromfluss betrachtet werden können. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Verluste bei verschiedenen Frequenzen, und diese Eigenschaft muss bei einigen Hochfrequenzanwendungen berücksichtigt werden.

Anwendung dielektrischer Materialien bei Kondensatoren

Um die Wirkung des Dielektrikums auf einen Kondensator zu verstehen, wollen wir zunächst kurz die bekannte Formel für die Kapazität eines Parallelplattenkondensators wiederholen:

wobei C die Kapazität, εr die relative Dielektrizitätskonstante des Materials, ε0 die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, A die Fläche der Platten und d der Abstand zwischen den Platten ist. Es wird deutlich, dass je größer εr ist, desto größer wird die resultierende Kapazität. Luft als Material hat beispielsweise eine relative Dielektrizitätskonstante von ca. 1, d. h. sie verhält sich so, als ob die Kondensatorplatten in einem Vakuum liegen würden. Andererseits können einige Polymere eine relative Permittivität von bis zu 100.000 haben! Mit solchen Materialien ist es möglich, die gleiche Kapazität in einem viel kleineren Volumen zu erreichen, was die Möglichkeit der Miniaturisierung eröffnet.

Betrachten wir nun die Durchschlagsfestigkeit. Betrachten wir einen Luftkondensator, bei dem der Abstand zwischen den Elektroden 0,1 mm beträgt. Die Durchschlagsfestigkeit von Luft beträgt 3 Megavolt pro Meter. Das bedeutet, dass die maximale Spannung, die an diesen Beispielkondensator angelegt werden kann, unter idealen Bedingungen 300 Volt beträgt. Je kleiner der Kondensator ist, desto geringer ist die maximal zulässige Spannung. Alle Kondensatoren haben maximale Nennspannungen, die von den verwendeten Materialien abhängen, und ein Überschreiten dieser Nennwerte könnte den Kondensator beschädigen oder zerstören.