Vorlesung: Der elektrische Dipol und Dielektrika

Einführung

• Ein elektrischer Dipol besteht aus einer positiven und einer negativen Ladung mit dem Dipolmoment Q * D.
• Das Dipolmoment zeigt von der negativen zur positiven Ladung (Von Minus nach Plus).
• Nutzung des Dipolmodells zur Beschreibung molekularer Eigenschaften von Isolatoren in elektrischen Feldern.*

Verhalten von Dipolen im äußeren elektrischen Feld

• Wird ein Dipol in ein homogenes elektrisches Feld gebracht, wirkt auf ihn ein Drehmoment.
• Drehmoment (N-Pfeil) wird berechnet als: R1-Pfeil x Q * E-Pfeil und R2-Pfeil x (-Q * E-Pfeil). Das führt zu: N = P x E-Außen.
• Wenn das Dipolmoment parallel zum äußeren Feld ist, ist das Kreuzprodukt und somit das Drehmoment Null.
• Im stabilen Zustand richtet sich das Dipolmoment parallel und gleichgerichtet mit dem äußeren Feld aus.

Experiment mit Dielektrika

• Ein Plattenkondensator wird aufgeladen und verschiedene isolierende Medien (Glas, Plexiglas, Bakelit) eingeführt.
• Spannung sinkt beim Einführen eines Dielektrikums, steigt aber wieder nach Entfernen des Dielektrikums, was darauf hinweist, dass sich die Ladung nicht geändert hat.
• Das elektrische Feld wird in einem Dielektrikum weiterhin vorhanden, aber abgeschwächt.

Theorie zum Plattenkondensator

• Im Vakuum: Das elektrische Feld E-Vakuum ist proportional zur Flächenladungsdichte Sigma (E-Vakuum= Sigma/Epsilon0).
• Mit Dielektrikum: Induzierte Dipole führen zu Polarisationsladungen, die ein Gegenfeld erzeugen und das effektive Feld E-Dielektrikum abschwächen.

Polarisationsvorgänge

• Orientierungspolarisation: Ausrichtung fest bestehender Dipole im Feld.
• Verschiebungspolarisation: Induktion von Dipolen in unpolaren Molekülen durch das elektrische Feld.

Dielektrische Suszeptibilität und Konstante

• Polarisierbarkeit (alpha) gibt das induzierte Dipolmoment proportional zur Feldstärke an: Pe = alpha * E-Dielektrikum.
• Polarisationsvektor (P) ergibt sich aus der Summe aller Dipolmomente pro Volumseinheit: P = n * Pe = Epsilon0 * chiE * E-Dielektrikum.
• Dielektrische Suszeptibilität (chiE): n * alpha / Epsilon0.
• Relative Dielektrizitätskonstante (Epsilon-R): 1 + chiE.*

Ergebnisse und Abschluss

• Das elektrische Feld im Dielektrikum (E-Dielektrikum) ist E-Vakuum / Epsilon-R, geringer als das Feld im Vakuum.
• Ausblick auf nächste Vorlesung: wie sich das auf die Spannung im Kondensator auswirkt und verschiedene Dielektrizitätskonstanten.