Dielektrikum

Ein polarisiertes dielektrisches Material ⓘ

Im Elektromagnetismus ist ein Dielektrikum (oder dielektrisches Material oder dielektrisches Medium) ein elektrischer Isolator, der durch ein angelegtes elektrisches Feld polarisiert werden kann. Wenn sich ein dielektrisches Material in einem elektrischen Feld befindet, fließen die elektrischen Ladungen nicht wie in einem elektrischen Leiter durch das Material, da es keine lose gebundenen oder freien Elektronen gibt, die durch das Material driften können, sondern sie verschieben sich nur geringfügig von ihrer durchschnittlichen Gleichgewichtsposition, was zu einer dielektrischen Polarisierung führt. Aufgrund der dielektrischen Polarisation werden positive Ladungen in Richtung des Feldes verschoben und negative Ladungen verschieben sich in die dem Feld entgegengesetzte Richtung (wenn sich das Feld beispielsweise parallel zur positiven x-Achse bewegt, verschieben sich die negativen Ladungen in die negative x-Richtung). Dadurch entsteht ein internes elektrisches Feld, das das Gesamtfeld im Dielektrikum selbst verringert. Wenn ein Dielektrikum aus schwach gebundenen Molekülen besteht, werden diese Moleküle nicht nur polarisiert, sondern richten sich auch neu aus, so dass ihre Symmetrieachsen zum Feld ausgerichtet sind. ⓘ

Die Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften befasst sich mit der Speicherung und Ableitung von elektrischer und magnetischer Energie in Materialien. Dielektrika sind wichtig für die Erklärung verschiedener Phänomene in der Elektronik, Optik, Festkörperphysik und Zellbiophysik. ⓘ

Die Feldgrößen des Dielektrikums sind die elektrische Feldstärke $E$ und die elektrische Flussdichte $D$. Sie sind im elektrostatischen, d. h. zeitlich konstanten Fall und in einem isotropen Medium durch die Permittivität $\varepsilon$ über folgende Beziehung verknüpft:

${\vec {D}}=\varepsilon {\vec {E}}.$ ⓘ

Die Permittivität ist das Produkt aus der elektrischen Feldkonstante $\varepsilon _{0}$ und der materialspezifischen, dimensionslosen relativen Permittivität $\varepsilon _{r}$:

$\varepsilon =\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}.$ ⓘ

Terminologie

Obwohl der Begriff Isolator eine geringe elektrische Leitfähigkeit impliziert, bedeutet Dielektrikum in der Regel Materialien mit einer hohen Polarisierbarkeit. Letztere wird durch eine Zahl ausgedrückt, die als relative Dielektrizitätskonstante bezeichnet wird. Der Begriff Isolator wird im Allgemeinen verwendet, um auf die elektrische Behinderung hinzuweisen, während der Begriff Dielektrikum verwendet wird, um die Energiespeicherkapazität des Materials (über die Polarisation) anzugeben. Ein gängiges Beispiel für ein Dielektrikum ist das elektrisch isolierende Material zwischen den Metallplatten eines Kondensators. Die Polarisierung des Dielektrikums durch das angelegte elektrische Feld erhöht die Oberflächenladung des Kondensators bei der gegebenen elektrischen Feldstärke. ⓘ

Der Begriff Dielektrikum wurde von William Whewell (von dia + electric) als Antwort auf eine Anfrage von Michael Faraday geprägt. Ein perfektes Dielektrikum ist ein Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von Null (vgl. perfekter Leiter - unendliche elektrische Leitfähigkeit) und weist daher nur einen Verdrängungsstrom auf; es speichert und gibt daher elektrische Energie zurück, als wäre es ein idealer Kondensator. ⓘ

Elektrische Suszeptibilität

Die elektrische Suszeptibilität χe eines dielektrischen Materials ist ein Maß dafür, wie leicht es sich als Reaktion auf ein elektrisches Feld polarisiert. Dies wiederum bestimmt die elektrische Permittivität des Materials und beeinflusst damit viele andere Phänomene in diesem Medium, von der Kapazität von Kondensatoren bis zur Lichtgeschwindigkeit. ⓘ

Sie ist definiert als die Proportionalitätskonstante (die ein Tensor sein kann), die ein elektrisches Feld E mit der induzierten dielektrischen Polarisationsdichte P verbindet, so dass ⓘ

$\mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi _{e}\mathbf {E} ,$ ⓘ

wobei ε₀ die elektrische Permittivität des freien Raums ist. ⓘ

Die Suszeptibilität eines Mediums ist mit seiner relativen Dielektrizitätskonstante εr verbunden durch ⓘ

$\chi _{e}\ =\varepsilon _{r}-1.$ ⓘ

Im Falle eines Vakuums also, ⓘ

$\chi _{e}\ =0.$ ⓘ

Die elektrische Verschiebung D ist mit der Polarisationsdichte P verbunden durch ⓘ

$\mathbf {D} \ =\ \varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} \ =\ \varepsilon _{0}\left(1+\chi _{e}\right)\mathbf {E} \ =\ \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\mathbf {E} .$ ⓘ

Dispersion und Kausalität

Im Allgemeinen kann sich ein Material als Reaktion auf ein angelegtes Feld nicht sofort polarisieren. Die allgemeinere Formulierung als eine Funktion der Zeit lautet ⓘ

$\mathbf {P} (t)=\varepsilon _{0}\int _{-\infty }^{t}\chi _{e}\left(t-t'\right)\mathbf {E} (t')\,dt'.$ ⓘ

Das heißt, die Polarisation ist eine Faltung des elektrischen Feldes zu früheren Zeiten mit der zeitabhängigen Suszeptibilität, die durch χe(Δt) gegeben ist. Die obere Grenze dieses Integrals kann ebenfalls bis ins Unendliche ausgedehnt werden, wenn man χe(Δt) = 0 für Δt < 0 definiert. Eine momentane Antwort entspricht der Dirac-Delta-Funktion Suszeptibilität χe(Δt) = χeδ(Δt). ⓘ

In einem linearen System ist es bequemer, die Fourier-Transformation zu nehmen und diese Beziehung als Funktion der Frequenz zu schreiben. Aufgrund des Faltungstheorems wird das Integral zu einem einfachen Produkt,

$\mathbf {P} (\omega )=\varepsilon _{0}\chi _{e}(\omega )\mathbf {E} (\omega ).$ ⓘ

Die Suszeptibilität (oder äquivalent dazu die Permittivität) ist frequenzabhängig. Die Änderung der Suszeptibilität in Abhängigkeit von der Frequenz charakterisiert die Dispersionseigenschaften des Materials. ⓘ

Die Tatsache, dass die Polarisation nur vom elektrischen Feld zu früheren Zeiten abhängen kann (d. h. χe(Δt) = 0 für Δt < 0), eine Folge der Kausalität, erlegt Kramers-Kronig Beschränkungen für die Real- und Imaginärteile der Suszeptibilität χe(ω) auf. ⓘ

Dielektrische Polarisation

Grundlegendes atomares Modell

Wechselwirkung eines elektrischen Feldes mit einem Atom nach dem klassischen dielektrischen Modell ⓘ

Bei der klassischen Betrachtungsweise des Dielektrikums besteht das Material aus Atomen. Jedes Atom besteht aus einer Wolke negativer Ladungen (Elektronen), die an eine positive Punktladung in seinem Zentrum gebunden sind und diese umgeben. Bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes wird die Ladungswolke verzerrt, wie oben rechts in der Abbildung dargestellt. ⓘ

Mit Hilfe des Überlagerungsprinzips lässt sich dies auf einen einfachen Dipol reduzieren. Ein Dipol wird durch sein Dipolmoment charakterisiert, eine Vektorgröße, die in der Abbildung als blauer Pfeil mit der Bezeichnung M dargestellt ist. Das Verhalten des Dielektrikums ergibt sich aus der Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und dem Dipolmoment. (Beachten Sie, dass das Dipolmoment in der Abbildung in dieselbe Richtung wie das elektrische Feld zeigt. Dies ist nicht immer der Fall und stellt eine starke Vereinfachung dar, gilt aber für viele Materialien). ⓘ

Wenn das elektrische Feld entfernt wird, kehrt das Atom in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die dafür benötigte Zeit ist die so genannte Relaxationszeit, ein exponentieller Zerfall. ⓘ

Dies ist die Essenz des Modells in der Physik. Das Verhalten des Dielektrikums hängt nun von der jeweiligen Situation ab. Je komplizierter die Situation ist, desto umfangreicher muss das Modell sein, um das Verhalten genau zu beschreiben. Wichtige Fragen sind:

• Ist das elektrische Feld konstant oder ändert es sich mit der Zeit? Mit welcher Geschwindigkeit?
• Hängt die Reaktion von der Richtung des angelegten Feldes ab (Isotropie des Materials)?
• Ist die Reaktion überall gleich (Homogenität des Materials)?
• Müssen irgendwelche Grenzen oder Grenzflächen berücksichtigt werden?
• Ist die Reaktion linear in Bezug auf das Feld, oder gibt es Nichtlinearitäten? ⓘ

Aus der Beziehung zwischen dem elektrischen Feld E und dem Dipolmoment M ergibt sich das Verhalten des Dielektrikums, das für ein bestimmtes Material durch die in der Gleichung definierte Funktion F charakterisiert werden kann:

$$\mathbf {M} =\mathbf {F} (\mathbf {E} ).$$

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Wenn sowohl die Art des elektrischen Feldes als auch die Art des Materials definiert sind, wählt man die einfachste Funktion F, die die interessierenden Phänomene korrekt vorhersagt. Beispiele für Phänomene, die auf diese Weise modelliert werden können, sind:

• Brechungsindex
• Gruppengeschwindigkeitsdispersion
• Doppelbrechung
• Selbstfokussierung
• Erzeugung von Oberwellen ⓘ

Dipolare Polarisation

Die dipolare Polarisation ist eine Polarisation, die entweder polaren Molekülen eigen ist (Orientierungspolarisation) oder in jedem Molekül induziert werden kann, in dem eine asymmetrische Verzerrung der Kerne möglich ist (Verzerrungspolarisation). Die Orientierungspolarisation resultiert aus einem permanenten Dipol, z. B. dem Dipol, der sich aus dem Winkel von 104,45° zwischen den asymmetrischen Bindungen zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen im Wassermolekül ergibt und der die Polarisation in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes beibehält. Die Gesamtheit dieser Dipole bildet eine makroskopische Polarisation. ⓘ

Wenn ein äußeres elektrisches Feld angelegt wird, bleibt der Abstand zwischen den Ladungen innerhalb jedes permanenten Dipols, der mit der chemischen Bindung zusammenhängt, in der Orientierungspolarisation konstant; die Richtung der Polarisation selbst dreht sich jedoch. Diese Drehung erfolgt auf einer Zeitskala, die von dem Drehmoment und der lokalen Viskosität der Moleküle abhängt. Da die Drehung nicht augenblicklich erfolgt, verlieren dipolare Polarisationen die Reaktion auf elektrische Felder bei den höchsten Frequenzen. Ein Molekül dreht sich in einer Flüssigkeit etwa 1 Radiant pro Pikosekunde, so dass dieser Verlust bei etwa 10¹¹ Hz (im Mikrowellenbereich) auftritt. Die Verzögerung der Reaktion auf die Änderung des elektrischen Feldes verursacht Reibung und Wärme. ⓘ

Wird ein äußeres elektrisches Feld bei Infrarotfrequenzen oder darunter angelegt, werden die Moleküle durch das Feld gebogen und gedehnt, und das molekulare Dipolmoment ändert sich. Die Frequenz der Molekülschwingungen ist ungefähr der Kehrwert der Zeit, die die Moleküle für die Biegung benötigen, und diese Verzerrungspolarisation verschwindet oberhalb des Infrarotbereichs. ⓘ

Ionische Polarisation

Bei der ionischen Polarisation handelt es sich um eine Polarisation, die durch relative Verschiebungen zwischen positiven und negativen Ionen in ionischen Kristallen (z. B. NaCl) verursacht wird. ⓘ

Wenn ein Kristall oder ein Molekül aus Atomen mehrerer Arten besteht, neigt sich die Verteilung der Ladungen um ein Atom im Kristall oder Molekül zum Positiven oder Negativen. Wenn Gitterschwingungen oder Molekülschwingungen zu einer relativen Verschiebung der Atome führen, werden auch die Zentren der positiven und negativen Ladungen verschoben. Die Lage dieser Zentren hängt von der Symmetrie der Verschiebungen ab. Wenn die Zentren nicht übereinstimmen, kommt es in Molekülen oder Kristallen zu einer Polarisierung. Diese Polarisierung wird als ionische Polarisation bezeichnet. ⓘ

Die ionische Polarisation verursacht den ferroelektrischen Effekt und die dipolare Polarisation. Der ferroelektrische Übergang, der durch die Aneinanderreihung der Orientierungen der permanenten Dipole entlang einer bestimmten Richtung verursacht wird, wird als Phasenübergang zwischen Ordnung und Unordnung bezeichnet. Der durch Ionenpolarisationen in Kristallen verursachte Übergang wird als displaktiver Phasenübergang bezeichnet. ⓘ

In Zellen

Die Ionenpolarisation ermöglicht die Herstellung energiereicher Verbindungen in den Zellen (die Protonenpumpe in den Mitochondrien) und an der Plasmamembran die Herstellung des Ruhepotentials, den energetisch ungünstigen Transport von Ionen und die Kommunikation von Zelle zu Zelle (die Na+/K+-ATPase). ⓘ

Alle Zellen in tierischen Körpergeweben sind elektrisch polarisiert, d. h. sie halten eine Spannungsdifferenz über der Plasmamembran der Zelle aufrecht, die als Membranpotenzial bezeichnet wird. Diese elektrische Polarisierung ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels zwischen Ionentransportern und Ionenkanälen. ⓘ

In Neuronen variieren die Arten von Ionenkanälen in der Membran in der Regel zwischen den verschiedenen Teilen der Zelle, wodurch die Dendriten, das Axon und der Zellkörper unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Infolgedessen können einige Teile der Membran eines Neurons erregbar sein (fähig, Aktionspotenziale zu erzeugen), andere hingegen nicht. ⓘ

Dielektrische Dispersion

In der Physik bezeichnet die dielektrische Dispersion die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Materials von der Frequenz eines angelegten elektrischen Feldes. Da es eine Verzögerung zwischen Änderungen der Polarisation und Änderungen des elektrischen Feldes gibt, ist die Dielektrizitätskonstante eine komplizierte Funktion der Frequenz des elektrischen Feldes. Die dielektrische Dispersion ist sehr wichtig für die Anwendung dielektrischer Materialien und für die Analyse von Polarisationssystemen. ⓘ

Dies ist ein Beispiel für ein allgemeines Phänomen, das als Materialdispersion bekannt ist: eine frequenzabhängige Reaktion eines Mediums auf die Wellenausbreitung. ⓘ

Wenn die Frequenz höher wird:

1. Die dipolare Polarisation kann den Schwingungen des elektrischen Feldes im Mikrowellenbereich um 10¹⁰ Hz nicht mehr folgen;
2. die ionische Polarisation und die molekulare Verzerrungspolarisation können dem elektrischen Feld im Infrarot- oder Ferninfrarotbereich um 10¹³ Hz nicht mehr folgen, ;
3. die elektronische Polarisation verliert ihre Reaktion im ultravioletten Bereich um 10¹⁵ Hz. ⓘ

Im Frequenzbereich oberhalb von Ultraviolett nähert sich die Dielektrizitätskonstante in jedem Stoff der Konstante ε₀ an, wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante des freien Raums ist. Da die Dielektrizitätskonstante die Stärke der Beziehung zwischen einem elektrischen Feld und der Polarisation angibt, nimmt die Dielektrizitätskonstante ab, wenn ein Polarisationsprozess seine Reaktion verliert. ⓘ

Dielektrische Relaxation

Die dielektrische Relaxation ist die vorübergehende Verzögerung (oder Verzögerung) der Dielektrizitätskonstante eines Materials. Sie wird in der Regel durch die Verzögerung der molekularen Polarisation in Bezug auf ein sich änderndes elektrisches Feld in einem dielektrischen Medium (z. B. in Kondensatoren oder zwischen zwei großen leitenden Flächen) verursacht. Die dielektrische Relaxation bei sich ändernden elektrischen Feldern kann analog zur Hysterese bei sich ändernden Magnetfeldern (z. B. in Induktions- oder Transformatorkernen) betrachtet werden. Bei der Relaxation handelt es sich im Allgemeinen um eine Verzögerung in der Reaktion eines linearen Systems, daher wird die dielektrische Relaxation relativ zu den erwarteten linearen dielektrischen Werten im stationären Zustand (Gleichgewicht) gemessen. Die zeitliche Verzögerung zwischen elektrischem Feld und Polarisation impliziert einen irreversiblen Abbau der freien Gibbs-Energie. ⓘ

In der Physik bezieht sich die dielektrische Relaxation auf die Relaxationsreaktion eines dielektrischen Mediums auf ein äußeres, oszillierendes elektrisches Feld. Diese Relaxation wird häufig durch die Dielektrizitätskonstante als Funktion der Frequenz beschrieben, die für ideale Systeme durch die Debye-Gleichung beschrieben werden kann. Die mit der ionischen und elektronischen Polarisation verbundene Verzerrung hingegen zeigt ein Verhalten vom Typ Resonanz oder Oszillator. Der Charakter des Verzerrungsprozesses hängt von der Struktur, der Zusammensetzung und der Umgebung der Probe ab. ⓘ

Debye-Relaxation

Die Debye-Relaxation ist die dielektrische Relaxationsreaktion einer idealen, nicht wechselwirkenden Population von Dipolen auf ein äußeres elektrisches Wechselfeld. Sie wird gewöhnlich durch die komplexe Dielektrizitätskonstante ε eines Mediums als Funktion der Winkelfrequenz ω des Feldes ausgedrückt:

${\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\Delta \varepsilon }{1+i\omega \tau }},$ ⓘ

Dabei ist ε_∞ die Dielektrizitätskonstante an der Hochfrequenzgrenze, Δε = εs - ε_∞, wobei εs die statische, niederfrequente Dielektrizitätskonstante und τ die charakteristische Relaxationszeit des Mediums ist. Die Aufteilung in den Realteil $\varepsilon '$ und den Imaginärteil $\varepsilon$ der komplexen dielektrischen Dielektrizitätskonstante ergibt:

${\begin{aligned}\varepsilon '&=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }}{1+\omega ^{2}\tau ^{2}}}\\[3pt]\varepsilon &={\frac {(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty })\omega \tau }{1+\omega ^{2}\tau ^{2}}}\end{aligned}}$ ⓘ

Man beachte, dass die obige Gleichung für ${\hat {\varepsilon }}(\omega )$manchmal mit $1-i\omega \tau$ im Nenner geschrieben wird, da viele Quellen die Zeitabhängigkeit des komplexen elektrischen Feldes mit $\exp(-i\omega t)$ darstellen, während andere $\exp(+i\omega t)$. In der ersten Konvention werden die Funktionen $\varepsilon '$ und $\varepsilon$ die Real- und Imaginärteile darstellen, durch ${\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon '+i\varepsilon$ während in der zweiten Konvention ${\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon '-i\varepsilon$. In der obigen Gleichung wird die letztere Konvention verwendet. ⓘ

Der dielektrische Verlust wird auch durch den Verlusttangens dargestellt:

$\tan(\delta )={\frac {\varepsilon }{\varepsilon '}}={\frac {\left(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }\right)\omega \tau }{\varepsilon _{s}+\varepsilon _{\infty }\omega ^{2}\tau ^{2}}}$ ⓘ

Dieses Relaxationsmodell wurde von dem Physiker Peter Debye (1913) eingeführt und nach ihm benannt. Es ist charakteristisch für eine dynamische Polarisation mit nur einer Relaxationszeit. ⓘ

Varianten der Debye-Gleichung

Cole-Cole-Gleichung

Diese Gleichung wird verwendet, wenn der dielektrische Verlustpeak eine symmetrische Verbreiterung aufweist.

Cole-Davidson-Gleichung

Diese Gleichung wird verwendet, wenn der dielektrische Verlustpeak eine asymmetrische Verbreiterung aufweist.

Havriliak-Negami-Relaxation

Diese Gleichung berücksichtigt sowohl symmetrische als auch asymmetrische Verbreiterung.

Kohlrausch-Williams-Watts-Funktion

Fourier-Transformation einer gestreckten Exponentialfunktion.

Curie-von-Schweidler-Gesetz

Es zeigt, dass sich die Reaktion von Dielektrika auf ein angelegtes Gleichfeld gemäß einem Potenzgesetz verhält, das als Integral über gewichtete Exponentialfunktionen ausgedrückt werden kann. ⓘ

Paraelektrizität

Paraelektrizität ist das nominelle Verhalten von Dielektrika, wenn der Tensor der dielektrischen Permittivität proportional zur Einheitsmatrix ist, d. h., ein angelegtes elektrisches Feld bewirkt eine Polarisierung und/oder Ausrichtung der Dipole nur parallel zum angelegten elektrischen Feld. Entgegen der Analogie zu einem paramagnetischen Material muss in einem paraelektrischen Material kein permanenter elektrischer Dipol vorhanden sein. Die Entfernung der Felder führt dazu, dass die dipolare Polarisation auf Null zurückgeht. Die Mechanismen, die paraelektrisches Verhalten verursachen, sind die Verzerrung einzelner Ionen (Verschiebung der Elektronenwolke vom Kern) und die Polarisierung von Molekülen oder Kombinationen von Ionen oder Defekten. ⓘ

Paraelektrizität kann in Kristallphasen auftreten, in denen die elektrischen Dipole nicht ausgerichtet sind und sich daher in einem äußeren elektrischen Feld ausrichten und dieses schwächen können. ⓘ

Die meisten dielektrischen Materialien sind Paraelektrika. Ein spezifisches Beispiel für ein paraelektrisches Material mit hoher Dielektrizitätskonstante ist Strontiumtitanat. ⓘ

Der LiNbO₃-Kristall ist unterhalb von 1430 K ferroelektrisch, und oberhalb dieser Temperatur geht er in eine ungeordnete paraelektrische Phase über. In ähnlicher Weise weisen auch andere Perowskite bei hohen Temperaturen Paraelektrizität auf. ⓘ

Paraelektrizität wurde als möglicher Kühlmechanismus erforscht; die Polarisierung eines Paraelektrikums durch Anlegen eines elektrischen Feldes unter adiabatischen Prozessbedingungen erhöht die Temperatur, während das Entfernen des Feldes die Temperatur senkt. Eine Wärmepumpe, die funktioniert, indem sie das Paraelektrikum polarisiert, es auf Umgebungstemperatur zurückkehren lässt (indem sie die zusätzliche Wärme ableitet), es mit dem zu kühlenden Objekt in Kontakt bringt und es schließlich depolarisiert, würde zu einer Kühlung führen. ⓘ

Abstimmbarkeit

Abstimmbare Dielektrika sind Isolatoren, deren Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern, sich ändert, wenn eine Spannung angelegt wird. ⓘ

Im Allgemeinen wird Strontiumtitanat (SrTiO
₃) für Geräte verwendet, die bei niedrigen Temperaturen arbeiten, während Barium-Strontium-Titanat (Ba
1-xSr
_xTiO
₃) als Ersatz für Geräte, die bei Raumtemperatur arbeiten. Weitere potenzielle Materialien sind Mikrowellendielektrika und Kohlenstoffnanoröhren (CNT)-Verbundwerkstoffe. ⓘ

Im Jahr 2013 wurde mit mehrlagigen Schichten aus Strontiumtitanat, die mit einzelnen Schichten aus Strontiumoxid verschachtelt sind, ein Dielektrikum hergestellt, das bei bis zu 125 GHz arbeiten kann. Das Material wurde durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Die beiden Schichten haben einen ungleichmäßigen Kristallabstand, der zu Spannungen in der Strontiumtitanat-Schicht führt, was sie weniger stabil und abstimmbar macht. ⓘ

Systeme wie Ba
1-xSr
_xTiO
₃ haben einen paraelektrischen-ferroelektrischen Übergang knapp unterhalb der Umgebungstemperatur, was eine hohe Abstimmbarkeit ermöglicht. Die Filme weisen erhebliche Verluste aufgrund von Defekten auf. ⓘ

Anwendungen

Kondensatoren

Die Ladungstrennung in einem Parallelplattenkondensator verursacht ein internes elektrisches Feld. Ein Dielektrikum (orange) verringert das Feld und erhöht die Kapazität. ⓘ

Kommerziell hergestellte Kondensatoren verwenden in der Regel ein festes Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante als Zwischenmedium zwischen den gespeicherten positiven und negativen Ladungen. Dieses Material wird in technischen Zusammenhängen oft als Kondensatordielektrikum bezeichnet. ⓘ

Der offensichtlichste Vorteil der Verwendung eines solchen Dielektrikums besteht darin, dass es verhindert, dass die leitenden Platten, auf denen die Ladungen gespeichert sind, in direkten elektrischen Kontakt kommen. Noch wichtiger ist jedoch, dass eine hohe Dielektrizitätskonstante eine größere gespeicherte Ladung bei einer bestimmten Spannung ermöglicht. Dies wird deutlich, wenn man den Fall eines linearen Dielektrikums mit der Dielektrizitätskonstante ε und der Dicke d zwischen zwei leitenden Platten mit einheitlicher Ladungsdichte σ_ε betrachtet. In diesem Fall ist die Ladungsdichte gegeben durch ⓘ

$\sigma _{\varepsilon }=\varepsilon {\frac {V}{d}}$ ⓘ

und die Kapazität pro Flächeneinheit durch ⓘ

$c={\frac {\sigma _{\varepsilon }}{V}}={\frac {\varepsilon }{d}}$ ⓘ

Daraus lässt sich leicht ersehen, dass ein größeres ε zu einer größeren gespeicherten Ladung und damit zu einer größeren Kapazität führt. ⓘ

Dielektrische Materialien, die für Kondensatoren verwendet werden, werden auch so gewählt, dass sie gegen Ionisierung resistent sind. Dadurch kann der Kondensator mit höheren Spannungen betrieben werden, bevor das isolierende Dielektrikum ionisiert und unerwünschten Strom durchlässt. ⓘ

Dielektrika in Kabeln, Hochfrequenz- und Hochspannungs-Bauteilen

Als Dielektrikum wird auch der Isolierstoff zwischen den Leitern eines Kabels (insbesondere Hochfrequenz- und Koaxialkabel) bezeichnet, der wesentlich dessen Leitungswellenwiderstand und die frequenzabhängige Dämpfung pro Länge bestimmt (meist in Dezibel [dB] oder Neper [Np] pro km angegeben). ⓘ

Dielektrische Antennen, Resonatoren und dielektrische Wellenleiter werden in der Hochfrequenztechnik verwendet und gehorchen den gleichen Gesetzen der Brechung wie in der Optik beziehungsweise bei Lichtleitkabeln. ⓘ

Typische Materialien für Dielektrika in Hochfrequenz-Anwendungen sind Polyethylen, PTFE, Keramik (zum Beispiel Steatit, Aluminiumoxid), Glimmer oder Luft. Dielektrika für Hochfrequenz-Anwendungen müssen im Allgemeinen besonders geringe dielektrische Verlustfaktoren aufweisen. ⓘ

Gleiches gilt für Hochspannungsbauteile wie Kabel oder Transformatoren. Hierbei besteht das Dielektrikum in erster Linie aus der ölgetränkten Papierisolation zwischen Kabelleiter und Schirm beziehungsweise zwischen den Transformatorwicklungen. Die dielektrischen Eigenschaften dieser Bauteile geben Aufschluss über die Qualität der Isolierung. ⓘ

BST-Dünnschichten

Von 2002 bis 2004 führte das United States Army Research Laboratory (ARL) Forschungen zur Dünnschichttechnologie durch. Bariumstrontiumtitanat (BST), eine ferroelektrische Dünnschicht, wurde für die Herstellung von Hochfrequenz- und Mikrowellenkomponenten wie spannungsgesteuerte Oszillatoren, abstimmbare Filter und Phasenschieber untersucht. ⓘ

Die Forschungsarbeiten waren Teil der Bemühungen, die Armee mit hochgradig abstimmbaren, mikrowellenkompatiblen Materialien für breitbandige, durch ein elektrisches Feld abstimmbare Geräte zu versorgen, die auch bei extremen Temperaturen zuverlässig funktionieren. Diese Arbeit verbesserte die Abstimmbarkeit von Barium-Strontium-Titanat, einem Dünnschichtmaterial für Elektronikkomponenten. ⓘ

In einer Forschungsarbeit aus dem Jahr 2004 untersuchten Forscher des U.S. ARL, wie kleine Konzentrationen von Akzeptor-Dotierstoffen die Eigenschaften ferroelektrischer Materialien wie BST drastisch verändern können. ⓘ

Die Forscher "dotierten" dünne BST-Filme mit Magnesium und analysierten die "Struktur, Mikrostruktur, Oberflächenmorphologie und Qualität der Film-/Substratzusammensetzung" des Ergebnisses. Die Mg-dotierten BST-Filme wiesen "verbesserte dielektrische Eigenschaften, einen geringen Leckstrom und eine gute Abstimmbarkeit" auf, was sie für den Einsatz in abstimmbaren Mikrowellengeräten prädestiniert. ⓘ

Einige praktische Dielektrika

Dielektrische Materialien können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase sein. (Auch ein Hochvakuum kann ein nützliches, nahezu verlustfreies Dielektrikum sein, obwohl seine relative Dielektrizitätskonstante nur eins ist.) ⓘ

Feste Dielektrika sind vielleicht die am häufigsten verwendeten Dielektrika in der Elektrotechnik, und viele Feststoffe sind sehr gute Isolatoren. Einige Beispiele sind Porzellan, Glas und die meisten Kunststoffe. Luft, Stickstoff und Schwefelhexafluorid sind die drei am häufigsten verwendeten gasförmigen Dielektrika.

• Industrielle Beschichtungen wie Parylene bilden eine dielektrische Barriere zwischen dem Substrat und seiner Umgebung.
• Mineralöl wird in großem Umfang in elektrischen Transformatoren als flüssiges Dielektrikum und zur Unterstützung der Kühlung verwendet. Dielektrische Flüssigkeiten mit höheren Dielektrizitätskonstanten, wie z. B. Rizinusöl, werden häufig in Hochspannungskondensatoren verwendet, um Koronaentladungen zu verhindern und die Kapazität zu erhöhen.
• Da Dielektrika dem Stromfluss widerstehen, kann die Oberfläche eines Dielektrikums überschüssige elektrische Ladungen in Strähnen zurückhalten. Dies kann zufällig geschehen, wenn das Dielektrikum gerieben wird (triboelektrischer Effekt). Dies kann nützlich sein, wie bei einem Van-de-Graaff-Generator oder einem Elektrophorus, oder es kann potenziell zerstörerisch sein, wie im Fall einer elektrostatischen Entladung.
• Speziell verarbeitete Dielektrika, so genannte Elektrete (nicht zu verwechseln mit Ferroelektrika), können eine überschüssige innere Ladung oder eine "eingefrorene" Polarisation beibehalten. Elektrete haben ein semipermanentes elektrisches Feld und sind das elektrostatische Äquivalent zu Magneten. Elektrete haben zahlreiche praktische Anwendungen im Haushalt und in der Industrie.
• Einige Dielektrika können bei mechanischer Beanspruchung eine Potenzialdifferenz erzeugen oder (äquivalent) ihre physikalische Form ändern, wenn eine externe Spannung an das Material angelegt wird. Diese Eigenschaft wird als Piezoelektrizität bezeichnet. Piezoelektrische Materialien sind eine weitere Klasse von sehr nützlichen Dielektrika.
• Einige ionische Kristalle und polymere Dielektrika weisen ein spontanes Dipolmoment auf, das durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld umgekehrt werden kann. Dieses Verhalten wird als ferroelektrischer Effekt bezeichnet. Diese Materialien verhalten sich analog zum Verhalten ferromagnetischer Materialien in einem von außen angelegten Magnetfeld. Ferroelektrische Materialien haben oft sehr hohe Dielektrizitätskonstanten, was sie für Kondensatoren sehr nützlich macht. ⓘ

Polarisation eines Dielektrikums

Der Atomkern (positiver Ladungsschwerpunkt) wird durch ein externes Feld links neben den negativen Ladungsschwerpunkt (Elektronenhülle) gezogen ⓘ

Da in einem Dielektrikum die Ladungsträger nicht frei beweglich sind, werden sie durch ein äußeres elektrisches Feld polarisiert. Dabei wird zwischen zwei Arten der Polarisation unterschieden: ⓘ

Verschiebungspolarisation

• Bei der Verschiebungspolarisation werden elektrische Dipole induziert, das heißt, Dipole entstehen durch geringe Ladungsverschiebung in den Atomen oder Molekülen oder zwischen verschieden geladenen Ionen. Bei einem Wechselfeld „schwingen“ die negative Elektronenhülle und der positive Atomkern gegenläufig hin und her. Die Bewegung des Atomkerns kann auf Grund seiner deutlich größeren Masse (Massenverhältnis Proton zu Elektron ≈ 1836) gegenüber der Elektronenhüllenbewegung vernachlässigt werden. Daher wird der Atomkern als ortsfest betrachtet. Die Größe des induzierten Dipolmoments ist somit nur von der Auslenkung der Elektronenhülle abhängig. Bei diesen Schwingungen entsteht keine Wärmeenergie. Der Effekt kann mit Hilfe der Clausius-Mossotti-Gleichung beschrieben werden. ⓘ