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Das elektrische Feld in Materie

Dielektrika im elektrischen Feld

Im Gegensatz zu den leitenden Stoffen, wie Metallen, handelt es sich bei den Dielektrika um Isolatoren (nicht leitende Stoffe). Die Vorsilbe des Wortes Dia-Elektrikum bedeutet „durch“ und beschreibt die Tatsache, dass dielektrische Stoffe – anders als Metalle – vom elektrischen Feld durchdrungen werden. Allerdings können auch Dielektrika, die in ein Feld gebracht werden, dieses verändern. Die Ursache ist auch hier eine Verschiebung von Ladungsträgern innerhalb des Körpers, allerdings handelt es sich nicht um frei bewegliche Ladungsträger.

Dieser Vorgang heißt Polarisation und man unterscheidet zwei Mechanismen der Polarisation:

Verschiebungspolarisation
Verschiebungspolarisation kann im Prinzip in jeder Art von Materie auftreten. Sie rührt daher, dass die Elektronenwolken, welche die Atome des Stoffes umgeben, unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes gegen die Atomrümpfe verschoben werden und so eine makroskopische, inhomogene Ladungsverteilung verursachen.
Orientierungspolarisation
Besteht ein Stoff aus polaren Bausteinen (z.B. ein Gitter aus polaren Molekülen), so können sich deren Dipole im äußeren Feld ausrichten. Dadurch kann ebenfalls eine inhomogene Ladungsverteilung entstehen.
Abb.1

Verschiebungspolarisation in einem homogenen äußeren Feld.

Abb.2

Orientierungspolarisation in einem homogenen äußeren Feld.

Gegenüberliegende Ladungen verschiedenen Vorzeichens im Inneren des Körpers neutralisieren sich weitgehend gegenseitig. Übrig bleibt aber eine makroskopisch wahrnehmbare Ladungsverteilung an der Oberfläche des Körpers. Die Beispiele in den obigen Abbildungen zeigen jeweils einen Klotz, der sich in einem homogenen elektrischen Feld mit waagerechter Feldrichtung befindet. Die Polarisation verursacht jeweils an der linken Kante eine negative Aufladung und an der rechten Seite eine positive. Die Klötze bleiben dabei insgesamt elektrisch neutral.

Die Polarisation ist also eine Ladungstrennung im Inneren des Körpers. Die so entstandene Ladungsverteilung besitzt ein Feld, welches sich dem ursprünglich vorhandenen, äußeren Feld überlagert. Die folgende Illustration verdeutlicht, dass es innerhalb des Dielektrikums zu einer Abschwächung des ursprünglichen Feldes kommt.

Abb.3

Feldlinien des äußeren Feldes (rot) und des Gegenfeldes aufgrund der Polarisation im Körper (blau) ...

Abb.4

... Bei einer Dielektrizitätszahl von 2 halbiert sich die Feldliniendichte im Inneren.

Ein Maß für die Polarisierbarkeit eines Stoffes ist die Dielektrizitätszahl ε r .

Luft

Luft besitzt eine Dielektrizitätszahl von ε r = 1,000576 (bei 0 °C, 1 bar). Befindet sich eine Ladungsanordnung in Luft, so entspricht das zugehörige Feld also näherungsweise dem Idealfall im Vakuum, welches keine dielektrischen Eigenschaften besitzt ( ε r = 1 ). Deshalb haben wir unsere Experimente auch in Luft statt in Vakuum durchgeführt. Im Vakuum wäre der Versuchsaufbau, z.B. des Plattenkondensators, sehr viel aufwändiger gewesen.

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