Elektrische und magnetische Dipole

Einführung elektrischer Dipole

• Ein elektrischer Dipol besteht aus einer negativen und einer positiven Ladung.
• Vektor von negativer zu positiver Ladung: D-Pfeil.
• Elektrisches Dipolmoment: Q * D-Pfeil, orientiert von Minus nach Plus.
• Wichtig zur Beschreibung von Molekülen in einem isolierenden Medium.*

Verhalten in äußeren elektrischen Feldern

• Dipole verhalten sich in einem äußeren homogenen Feld (E-Pfeil Außen), indem sie ein Drehmoment erfahren.
• Positiv geladene Seite will nach einer Richtung, negative zur entgegengesetzten, was ein Drehmoment erzeugt:
  • Drehmoment = R-Pfeil × (Q * E-A-Pfeil)
• Im stabilen Fall sind P-E-Pfeil und E-A-Pfeil gleichgerichtet.*

Experiment mit Plattenkondensator und Dielektrika

• Plattenkondensator mit verschiedenen Dielektrika (Glas, Plexiglas, Bakelit).
• Einbringen eines Dielektrikums zwischen die Platten reduziert die gemessene Spannung, trotz gleichbleibender Ladung.
• Das Experiment zeigt, dass Dielektrika das Feld abschwächen.

Polarisation in Dielektrika

• Von außen angelegte elektrische Felder bewirken, dass sich Moleküle innerhalb des Dielektrikums ausrichten.
• Polarisationsgrenzschichten (negative und positive Grenzschichtladen) entstehen.
• Feldstärke im Dielektrikum (E-Dielektrikum) ist kleiner als im Vakuum (E-Vakuum): E-Dielektrikum = E-Vakuum - (P-Pfeil / Epsilon 0).

Polarisation von Dielektrika im Detail

• Elektrische Dipole innerhalb eines Dielektrikums werden unterschiedlich orientiert.
• Polarisationsvektor P-Pfeil ergibt sich aus der Summe der Dipolmomente pro Volumeneinheit.
• Polarisationsfeldstärke E-Pol ist entgegen der Richtung der Feldstärke des Vakuums.

Verschiebungspolarisation und Suszeptibilität

• Polarisierung durch Verschiebung von Elektronenhülle und Atomkern im äußeren Feld:
  • Elektrisches Dipolmoment P ist proportional zur Feldstärke E-Dielektrikum.
  • Proportionalitätsfaktor: Polarisierbarkeit Alpha.
  • Gesamtpolarisation P ist n * Alpha * E-Dielektrikum.
• P = Epsilon 0 * Chi-E * E-Dielektrikum.
• Suszeptibilität Chi E: Anzahl Moleküle pro Volumeneinheit (n) mal Polarisierbarkeit (Alpha) geteilt durch Epsilon 0.

Elektrostatische Felder in Dielektrika

• Elektrische Feldstärke im Dielektrikum: E = (E-Vakuum) / (1 + Chi E), wobei Chi E die dielektrische Suszeptibilität ist.
• Relative Dielektrizitätskonstante Epsilon r = 1 + Chi E.
• Die Feldstärke (E-Dielektrikum) ist um den Faktor 1 / Epsilon r kleiner als die Vakuumfeldstärke.

Ausblick

• Einfluss auf Spannung und Betrachtung von Dielektrizitätskonstanten verschiedener Materialien (Keramik, Glas, etc.). Diese Themen sollen in der nächsten Vorlesung behandelt werden.