Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Isolatoren im elektrischen Feld Isolatoren besitzen keine frei verschiebbaren Ladungen. Dennoch haben Isolatoren auch bedeutenden Einfluss auf elektrostatische Felder. Orientierungspolarisation Bei manchen Stoffen, wie z. B. Wasser, haben die Moleküle eine positive und eine negative Seite und bilden Dipole . Diese Dipole sind meist regellos orientiert. Bringt man den Isolator jedoch in ein elektrostatisches Feld, so richten sich die Moleküle längs der Feldlinien (teilweise) aus ( 102.1 ). Eine besondere Stoffklasse stellen die Elektrete dar, deren elektrische Dipole permanent ausgerichtet sind – sie sind die Grundlage der Elektretmikrophone, die z. B. in Handys eingebaut sind. Verschiebungspolarisation In Molekülen, die normalerweise keine Dipole sind, verschieben sich positive und negative Ladungen in entgegengesetzter Richtung, wenn man diese Moleküle in ein elektrostatisches Feld bringt. Dabei entstehen Dipole, die längs der Feldlinien ausgerichtet sind ( 102.2 ). Beide Stoffarten verhalten sich daher ähnlich. Wie äußert sich dies im Experi- ment? Demo-Experiment: Isolator im Kondensator 102.1 E 1 Wir bringen einen Isolator (z. B. Glasplatte) in das Feld eines Kondensators. Dabei beobachten wir, dass die Spannung zwischen den Platten sinkt. Die Ladung Q des Kondensators ist gleich geblieben. Wegen Q = C · U muss die Kapazität zuge- nommen haben. Dies lässt sich durch die Ladungsverschiebung im Isolator erklären. Der positiven Platte des Kondensators steht eine Schicht negativer Molekülenden gegenüber und umgekehrt. In dieser Schicht endet ein Teil der Feldlinien, die von den Ladungen der Kondensatorplatten ausgehen. Das elektrische Feld der Dipolmoleküle wirkt dem ursprünglichen Kondensatorfeld entgegen. Nur wenige Feldlinien durchsetzen den Isolator. Der geringeren Feldliniendichte entspricht eine kleinere Feldstärke E . Folglich sinkt die Spannung am Kondensator, da sie das Produkt aus Feldstärke und Plattenabstand ist, U = E · d ( 102.3 ). Diese Abschwächung des ursprünglich vorhandenen Feldes beschreibt man durch die Permittivitätszahl ε r (Durchlässigkeit für elektrische Felder; alte Bezeich- nung: Dielektrizitätskonstante ) des Isolators. Sie ist folgendermaßen definiert: Wirkung eines Isolators auf ein elektrostatisches Feld Bringt man einen Isolator in ein elektrisches Feld, so verringert sich die Feldstärke vom ursprünglich vorhandenen Wert E auf E ’ = E _ ε r . Die Materialgröße ε r heißt Permittivitätszahl (relative Dielektrizitätskonstante). Materialien mit hoher Permittivitätszahl sind für den Kondensatorenbau technisch wichtig. Infolge des Isolators sinkt bei gleicher Ladung die Spannung am Konden- sator auf den Wert U ’ = E ’ · d = E · d / ε r = U / ε r . Dadurch steigt die Kapazität des Kondensators auf das ε r -fache: C ’ = Q / U ’ = ε r · Q / U = ε r · C Dies ermöglicht den Bau kleiner Kondensatoren hoher Kapazität. Untersuche, überlege, forsche: Elektretmikrofon 102.1 S 2 Informiere dich über die Funktionsweise von Elektretmikrofonen.  Stoff Permittivitätszahlen ε r Luft 1,0006 Teflon 2 Glas 4 bis 10 Porzellan 6 Wasser 81 Bariumtitanat 10 000 102.4 Der hohe Wert für Wasser ist eine Folge des großen Dipolmoments seiner Moleküle. 102.1 Im elektrostatischen Feld richten sich Moleküle mit Dipoleigenschaften in Feldrich- tung aus. (Orientierungspolarisation) 102.2 In unpolaren Molekülen verschieben sich die Ladungen unter dem Einfluss des Feldes und bilden Dipole. Dadurch schwächen sie das Feld zwischen den Platten. E 102.3 Der positiven Platte des Kondensators steht eine Schicht negativer Molekülenden gegenüber und umgekehrt. Dadurch verringert sich die Feldstärke im Kondensator. 102 FELDER Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv