Dielektrikum

Ein Kondensator funktioniert nur, wenn sich die beiden Platten bzw. Leiterbahnen nicht berühren und somit keine elektrische Ladung von einem Leiter zum anderen fließt. Ebenso muss der Raum zwischen den beiden Leitern ein Vakuum sein, damit keine elektrische Ladung vom Leiter in die Luft übergeht. Im Artikel über Plattenkondensatoren wurde die Kapazität eines solchen Kondensators erläutert, bei dem die beiden Platten durch ein Vakuum getrennt sind. Da die Kapazität eines Kondensators im Vakuum begrenzt ist, wird zur Erhöhung der Kapazität ein Dielektrikum zwischen den beiden Platten bzw. Leiterbahnen platziert.

Ein Dielektrikum ist ein Isolator, der die beiden leitenden Platten eines Kondensators trennt. Ein Isolator ist ein Material, das keinen Strom leitet, wie beispielsweise Kunststoff, Glas, Papier oder Holz. Die Funktion eines Dielektrikums besteht darin, die Kapazität zu erhöhen, wodurch der Kondensator eine große Menge an elektrischer Ladung und potenzieller Energie speichern kann.

Dielektrika erhöhen die Kapazität, weil das elektrische Potenzial zwischen den beiden leitenden Platten verringert wird.

Warum erhöht sich die Kapazität eines Kondensators, nachdem ein Dielektrikum zwischen die beiden Platten/Leiterschichten gelegt wurde? Um die Antwort auf diese Frage zu finden, erinnern wir uns zunächst an die Lektion über … Elektrische LadungGleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Beispielsweise ziehen sich positive Ladungen an. Negativ geladene Kunststoffe ziehen sich an, positiv geladene stoßen sich ab. Warum zieht negativ geladener Kunststoff dann kleine, nicht elektrisch geladene Papierstücke an? Das liegt an der Ladungspolarisation der Papierstücke. Elektronen in isolierenden Materialien wie Papier können sich nicht so frei bewegen wie Elektronen in leitenden Materialien. Wenn also negativ geladener Kunststoff in die Nähe von Papierstücken gebracht wird, werden die an die Atome gebundenen Elektronen vom negativ geladenen Kunststoff abgestoßen. Dadurch polarisieren sich die Ladungen auf dem Papier. Die negative Ladung auf dem Papier ist weiter vom Kunststoff entfernt, die positive Ladung näher am Kunststoff. Die negative Ladung des Kunststoffs zieht die positive Ladung der Papierstücke so lange an, bis sich das leichtere Papier dem Kunststoff nähert.

Der Polarisationsprozess, auch Ladungspolarisation genannt, der in einem Blatt Papier auftritt, ähnelt der Ladungspolarisation in einem Dielektrikum. Wie beispielsweise in der Abbildung links dargestellt, gibt es anfänglich nur zwei elektrisch geladene Leiterplatten. Die linke Platte ist positiv, die rechte negativ geladen, sodass die Richtung des elektrischen Feldes von links nach rechts verläuft.

Nachdem das Dielektrikum zwischen die beiden Leiterplatten platziert wurde, zieht die positive Ladung auf der linken Platte die Elektronen der benachbarten dielektrischen Oberfläche an, während die negative Ladung auf der rechten Platte sie abstößt. Die Elektronen im Dielektrikum, einem Isolator, sind nicht frei beweglich wie die Elektronen im Leiter. Sie bleiben daher an die Atome gebunden, jedoch entsteht eine Polarisation der negativ geladenen Elektronen und der positiv geladenen Protonen (siehe Abbildung). Die positive Ladung auf der rechten und die negative Ladung auf der linken Seite der dielektrischen Atome erzeugen ein von rechts nach links gerichtetes elektrisches Feld. Dieses schwächt das von der Ladung auf der Leiterplatte erzeugte, von links nach rechts gerichtete elektrische Feld ab. Die Feldstärke nimmt also nicht ab, weil die Ladung auf den beiden Platten/Leiterschichten abnimmt, sondern weil im Dielektrikum ein entgegengesetzt gerichtetes elektrisches Feld entsteht. Wird das Dielektrikum entfernt, kehrt die elektrische Feldstärke, die durch die elektrische Ladung auf den beiden Platten/Leiterschichten erzeugt wird, in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

Wenn die Stärke des von der elektrischen Ladung auf den beiden Leiterplatten erzeugten elektrischen Feldes abnimmt, dann nimmt aufgrund des elektrischen Feldes auch das elektrische Potenzial zwischen den beiden Leiterplatten ab. Die elektrische Feldstärke ist direkt proportional zum elektrischen Potenzial, wie die Gleichung E = V / d zeigt, wobei E das elektrische Feld, V das elektrische Potenzial und d der Abstand zwischen den beiden Platten ist. Vor der Anbringung eines Dielektrikums betrug das elektrische Potenzial V._o Nach dem Einbringen eines Dielektrikums wird das elektrische Potenzial um den Faktor K auf V reduziert. Mathematisch ausgedrückt: V_o = kV oder V = V_o / K oder K = V_o / V, wobei K die Dielektrizitätskonstante ist. V_o > V so dass K>1.
Es ist zu beachten, dass sich die elektrische Ladungsmenge auf beiden Platten/Leiterplatten nicht ändert, sodass die Endladung der Anfangsladung entspricht (Q = Q)._oDie Änderung der Kapazität des Kondensators wird mit folgender Formel berechnet:

Formelbeschreibung: C = Endkapazität, C₀ ₌ Anfangskapazität, Q = Endladung, Q₀ ₌ Anfangsladung, V = Endpotential, V₀ ₌ Anfangspotential, K = Dielektrizitätskonstante

Aus der obigen Gleichung lässt sich schließen, dass die Anfangskapazität (C _{_o} ) kleiner, die Endkapazität (C) hingegen größer ist. Die Kapazität erhöht sich um den Faktor K, wobei K die Dielektrizitätskonstante ist. Die Dielektrizitätskonstante ist für jedes Isoliermaterial unterschiedlich. Sie ergibt sich aus dem Vergleich der Kapazität eines Kondensators mit und ohne Dielektrikum.

Dielektrika erhöhen die Kapazität, weil der Abstand zwischen den beiden leitenden Platten verringert wird.

Eine weitere Funktion des Dielektrikums besteht darin, den Abstand (d) zwischen den beiden Leiterplatten zu verringern, sodass das elektrische Feld (E) und die elektrische Spannung (V) zwischen den beiden Leiterplatten gemäß der Gleichung E = V / d zunehmen. Mit steigendem elektrischen Feld und steigender Spannung zwischen den beiden Platten erhöht sich die Kapazität des Kondensators.
Handelt es sich bei dem fraglichen Kondensator um einen Plattenkondensator, so berechnet sich seine Kapazität nach folgender Formel:

Aus den beiden oben genannten Formeln lässt sich schließen, dass die Kapazität (C) eines Plattenkondensators durch Verringerung des Abstands (d) zwischen den beiden Platten/Leiterschichten erhöht werden kann.

Dielektrika erhöhen die Kapazität, weil die Durchschlagsfestigkeit des Kondensators zunimmt.

Dielektrika bestehen aus isolierenden Materialien, die bei Einwirkung eines sehr starken elektrischen Feldes einen Durchschlag erleiden. Dieser Durchschlag tritt auf, wenn das elektrische Feld so stark ist, dass Elektronen aus den Atomen herausgelöst werden. Diese Elektronen kollidieren dann mit Elektronen anderer Atome und verursachen so einen Elektronenfluss im Dielektrikum. Anders ausgedrückt: Der dielektrische Durchschlag bewirkt, dass das Dielektrikum, ein elektrischer Isolator, zu einem elektrischen Leiter wird.

Um Beschädigungen zu vermeiden, besitzt jedes Dielektrikum aus einem bestimmten Isoliermaterial eine maximale elektrische Feldstärke, die es aushalten kann. Diese wird als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet. Die Durchschlagsfestigkeit eines Isoliermaterials ist höher als die von Luft, wobei jedes Isoliermaterial eine unterschiedliche Durchschlagsfestigkeit aufweist. Je höher die Durchschlagsfestigkeit eines Dielektrikums ist, desto größer sind die ertragbare elektrische Feldstärke und die ertragbare elektrische Spannung. Je höher die von den beiden Platten/Leiterplatten erzeugte elektrische Feldstärke und Spannung sind, desto mehr Ladung kann die Leiterplatte aufnehmen. Je mehr Ladung sich auf der Leiterplatte befindet, desto größer ist die Kapazität des Kondensators.