Dielektrikum

Ein Dielektrikum ist ein Isolator, der die beiden Platten oder Schichten des Leiters auf einem Kondensator trennt. Isolatoren sind Materialien, die keinen elektrischen Strom leiten, beispielsweise Kunststoff, Glas, Papier oder Holz. Die dielektrische Funktion besteht darin, die Kapazität zu erhöhen, sodass der Kondensator mehr elektrische Ladung und elektrische potenzielle Energie speichern kann.

Ein Kondensator funktioniert nur, wenn sich die beiden Leiterplatten nicht berühren und somit kein Ladungstransport zwischen den Leitern stattfindet. Ebenso muss der Raum zwischen den beiden Leitern ein Vakuum sein, damit keine Ladung vom Leiter in die Luft übergeht. Im Abschnitt über Plattenkondensatoren wurde bereits die Kapazität von Plattenkondensatoren mit Vakuum zwischen den Platten erläutert. Die Kapazität eines Kondensators im Vakuum ist begrenzt. Um sie zu erhöhen, wird ein Dielektrikum zwischen die beiden Platten eingebracht.

Das Dielektrikum erhöht die Kapazität, weil das elektrische Potenzial zwischen den beiden Leiterplatten abnimmt.

Warum erhöht sich die Kapazität eines Kondensators, nachdem das Dielektrikum zwischen die beiden Platten oder Folien gelegt wurde? Um diese Frage zu beantworten, erinnern wir uns zunächst an die Grundlagen der elektrischen Ladung. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Beispielsweise zieht eine positive Ladung eine negative an, stößt aber eine positive Ladung ab. Warum können dann negativ geladene Kunststoffe kleine, nicht elektrisch geladene Papierstücke anziehen? Dies geschieht, weil das Papier eine Ladungspolarisation erfährt.

Elektronen in isolierenden Materialien wie Papier können sich nicht so frei bewegen wie in leitenden Materialien. Wenn man also ein negativ geladenes Stück Plastik in die Nähe eines Papierstücks bringt, werden die an die Atome gebundenen Elektronen vom negativ geladenen Plastik weggestoßen. Dadurch entsteht eine Polarisation der negativen und positiven Ladungen auf dem Papier. Die negative Ladung auf dem Papier ist weiter vom Plastik entfernt, während die positive Ladung auf dem Papier näher am Plastik ist. Die negative Ladung auf dem Plastik zieht dann die positive Ladung auf dem Papier an, bis sich das Papier dem Plastik annähert.

Die Ladungspolarisation auf Papier ähnelt der Ladungspolarisation in einem Dielektrikum. Wie die Abbildung links zeigt, gab es anfänglich beispielsweise nur zwei elektrisch geladene Leiter. 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. Gleichzeitig stößt die negative Ladung auf der rechten Platte die Elektronen der benachbarten dielektrischen Oberfläche ab. Die Elektronen im Dielektrikum, einem Isolator, können sich nicht frei bewegen wie Elektronen in einem Leiter. Daher bleiben die Elektronen an die Atome gebunden, es entsteht jedoch eine Polarisation aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Protonen, wie in der Abbildung dargestellt.

Die Anwesenheit einer positiven Ladung auf der rechten und einer negativen Ladung auf der linken Seite der dielektrischen Atome erzeugt ein elektrisches Feld. Dieses Feld verläuft von rechts nach links und schwächt das elektrische Feld der Ladung auf der Leiterplatte ab, welches von links nach rechts verläuft. Die Feldstärke nimmt also nicht ab, weil die Ladung auf den beiden Leiterplatten abnimmt, sondern weil im Dielektrikum ein elektrisches Feld in entgegengesetzter Richtung entsteht. Wird das Dielektrikum entfernt, ist die Feldstärke der Ladung auf den Leiterplatten wieder normal.

If Die elektrische Feldstärke, die durch die elektrische Ladung auf beiden Leiterplatten erzeugt wird, verringert sich, und damit auch das elektrische Potenzial zwischen den beiden Leiterplatten. Dies liegt daran, dass das elektrische Feld direkt proportional zum elektrischen Potenzial ist (E = V / d, wobei E das elektrische Feld, V das elektrische Potenzial und d der Abstand zwischen den beiden Platten ist). Beträgt das elektrische Potenzial vor dem Dielektrikum V₀, so reduziert es sich nach dem Dielektrikum um den Faktor K auf V.

Mathematisch gilt: Vo = KV oder V = Vo / K oder K = Vo / V, wobei K die Dielektrizitätskonstante ist. Vo > V, also ist K > 1.

Bitte beachten Sie, dass sich die elektrische Ladungsmenge auf beiden Platten bzw. Leiterbahnen nicht ändert, sodass die Endladung gleich der Anfangsladung ist (Q = Q₀). Die Kapazitätsänderung des Kondensators wird wie folgt berechnet:

C = Endkapazität, Co = Anfangskapazität, Q = Endladung, Qo = Anfangsladung, V = Endpotential, Vo = Anfangspotential, K = Dielektrizitätskonstante

Aus der obigen Gleichung lässt sich schließen, dass die Anfangskapazität (C₀) kleiner, die Endkapazität (C) hingegen größer ist. Die Kapazität erhöht sich um den Faktor K, wobei K die Dielektrizitätskonstante ist. Der Wert der Dielektrizitätskonstante variiert je nach Isoliermaterial. Die Dielektrizitätskonstante (K) ergibt sich aus dem Verhältnis der Kapazität des Kondensators mit Dielektrikum zu seiner Kapazität ohne Dielektrikum.

Die dielektrische Kapazität erhöht sich, weil der Abstand zwischen den beiden Leiterplatten abnimmt.

Eine weitere dielektrische Funktion besteht darin, den Abstand (d) zwischen den beiden Leiterplatten zu verringern. Dadurch erhöhen sich das elektrische Feld (E) und die elektrische Spannung (V) zwischen den beiden Platten bzw. Leiterbahnen, wie in der Gleichung E = V / d beschrieben. Mit zunehmendem elektrischen Feld und zunehmender Spannung zwischen den beiden Platten bzw. Leiterbahnen steigt auch die Kapazität des Kondensators.

Sind die betreffenden Kondensatoren parallel geschaltet, berechnet sich die Kapazität nach folgender Formel:

Aus den beiden oben genannten Formeln lässt sich schließen, dass die Kapazität (C) der Plattenkondensatoren durch Verringerung des Abstands (d) zwischen den beiden Platten bzw. Leiterbahnen vergrößert werden kann.

Die dielektrische Kapazität steigt, weil die Kapazität des Kondensators zunimmt.

Das Dielektrikum besteht aus isolierendem Material, das in einem starken elektrischen Feld beschädigt wird. Dielektrische Schäden treten auf, wenn das elektrische Feld so stark ist, dass es Elektronen aus den Atomen herauslöst. Diese Elektronen stoßen dann auf Elektronen anderer Atome, wodurch ein Elektronenfluss im Dielektrikum entsteht. Anders ausgedrückt: Durch dielektrische Schäden wird das Dielektrikum, das normalerweise ein elektrischer Isolator ist, zu einem elektrischen Leiter.

Um Schäden zu vermeiden, besitzt jedes Dielektrikum aus einem bestimmten Isoliermaterial eine maximale elektrische Feldstärke, die als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet wird. Die Durchschlagsfestigkeit des 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 erzielbare elektrische Feldstärke und die erzielbare Spannung. Je höher die elektrische Feldstärke und die Spannung zwischen den beiden Platten oder Schichten eines Leiters sind, desto mehr Ladung kann die Leiterplatte aufnehmen. Je mehr Ladung sich in der Leiterplatte befindet, desto größer ist die Kapazität des Kondensators.