Dielektrika und Polarisation

Dielektrika polarisieren in einem elektrischen Feld und erzeugen gebundene Ladungen, die das Feld reduzieren und die Kapazität erhöhen.

Definition

Ein Dielektrikum ist ein Isolator, dessen gebundene Ladungen sich in einem angelegten elektrischen Feld leicht verschieben und eine Polarisation erzeugen; die resultierenden gebundenen Ladungen und das Verschiebungsfeld, die Suszeptibilität und die Permittivität beschreiben, wie das Material das Feld in seinem Inneren modifiziert.

Scope

Dieses Thema behandelt die Polarisation dielektrischer Materialien, gebundene Oberflächen- und Volumenladungen, das elektrische Verschiebungsfeld, die elektrische Suszeptibilität und Permittivität, die Beziehung zwischen mikroskopischer Polarisierbarkeit und makroskopischer Permittivität, Energie in Dielektrika und Randbedingungen an dielektrischen Grenzflächen. Es umfasst lineare Dielektrika und weist auf ferroelektrisches Verhalten hin, während detaillierte Festkörpermechanismen zur Festkörperphysik gehören.

Core questions

• Wie polarisiert ein Dielektrikum in einem Feld?
• Wie hängen gebundene Ladungen und das Verschiebungsfeld mit der Polarisation zusammen?
• Was verbindet die mikroskopische Polarisierbarkeit mit der makroskopischen Permittivität?

Key concepts

• Polarisation
• gebundene Ladung
• Verschiebungsfeld D
• elektrische Suszeptibilität
• Permittivität
• Dielektrizitätskonstante
• Polarisierbarkeit
• Ferroelektrizität

Key theories

Polarisation und gebundene Ladungen

Ein angelegtes Feld induziert ausgerichtete Dipole, deren Nettoeffekt gebundenen Oberflächen- und Volumenladungen entspricht; das Verschiebungsfeld ist so definiert, dass seine Quellen nur die freien Ladungen sind.

Clausius-Mossotti-Beziehung

Die makroskopische Permittivität ist durch die Clausius-Mossotti-Beziehung mit der mikroskopischen Polarisierbarkeit und der Anzahldichte der Moleküle verbunden, wobei das auf jedes Molekül wirkende lokale Feld berücksichtigt wird.

Clinical relevance

Das dielektrische Verhalten bestimmt das Design von Kondensatoren und Isolatoren, hochpermittiven Materialien in der Elektronik, die dielektrische Spektroskopie von Materialien und Gewebe sowie die elektromagnetische Reaktion biologischer Membranen und Makromoleküle.

History

Faraday führte in den 1830er Jahren das Konzept des Dielektrikums ein und maß, wie Materialien die Kapazität erhöhen. Mossotti und Clausius setzten Mitte des 19. Jahrhunderts die Permittivität mit der molekularen Polarisierbarkeit in Beziehung, eine Beziehung, die später in Lorentzes Elektronentheorie verankert wurde.

Key figures

• Michael Faraday
• Ottaviano-Fabrizio Mossotti
• Rudolf Clausius

Seminal works

• landau1984
• griffiths2017

Frequently asked questions

Was ist die Dielektrizitätskonstante?

Sie ist die relative Permittivität, der Faktor, um den ein Material das elektrische Feld für eine gegebene freie Ladung im Vergleich zum Vakuum reduziert, und äquivalent der Faktor, um den es die Kapazität erhöht.

Was sind gebundene Ladungen?

Es sind die effektiven Ladungen, die auf der Oberfläche und im Inneren eines polarisierten Dielektrikums aufgrund der Ausrichtung mikroskopischer Dipole erscheinen; sie sind nicht frei, sich durch das Material zu bewegen.