Permittivität | Absolut, Relativ & Vakuum | Definition & Werte

Dielektrizitätskonstante und Permittivität in der Elektromagnetik

Grundlagen der Permittivität

In der Elektromagnetik ist die Permittivität, auch als absolute Permittivität bekannt, ein Maß für die elektrische Polarisation eines Dielektrikums oder Isolators. Materialien mit hoher Permittivität, wie Strontiumtitanat, polarisieren stärker als Materialien mit niedriger Permittivität, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Dies führt zur Speicherung von mehr Energie im Material. Die relative Permittivität, bezeichnet mit ε_r, ist identisch mit der Dielektrizitätskonstante κ (Kappa). Die relative Permittivität eines Vakuums ist definitionsgemäß Eins.

Vakuum Permittivität und Kapazität

Die Vakuumpermittivität ε₀ ist ein physikalischer Konstantenwert, der angibt, wie dicht ein elektrisches Feld in Reaktion auf elektrische Ladungen entstehen kann. Sie ist auch mit der im elektrischen Feld gespeicherten Energie und der Kapazität eines Kondensators verbunden. Überraschenderweise ist sie auch grundlegend mit der Lichtgeschwindigkeit verknüpft. Die Vakuumpermittivität wird definiert als etwa 8,85 x 10^-12 Farad pro Meter (F/m) in SI-Einheiten.

Elektrische Suszeptibilität

Die elektrische Suszeptibilität χ_e ist eine dimensionslose Proportionalitätskonstante, die den Grad der Polarisation eines Dielektrikums unter einem angelegten elektrischen Feld angibt. Sie ist definiert als das Verhältnis der induzierten dielektrischen Polarisation P zu einem elektrischen Feld E. Die Suszeptibilität steht in Beziehung zur relativen Permittivität ε_r und beeinflusst damit viele Phänomene in diesem Medium, von der Kapazität von Kondensatoren bis zur Lichtgeschwindigkeit.

Elektrische Polarisation und Dielektrika in Kondensatoren

Im Gegensatz zu Metallen, in denen Ladungen sich frei bewegen können, sind in Dielektrika alle Ladungen an bestimmte Atome und Moleküle gebunden. Diese gebundenen Ladungen können jedoch durch ein äußeres elektrisches Feld innerhalb eines Atoms oder Moleküls verschoben (polarisiert) werden. Es gibt drei Arten von Polarisation: Elektronische, Orientierungs- und Ionische Polarisation. Die Anwendung eines elektrischen Feldes auf ein Dielektrikum führt zu einer Polarisation und erhöht somit die Kapazität eines Kondensators. Die Kapazität C eines Kondensators steigt um den Faktor der relativen Permittivität, wenn der Raum zwischen den Platten vollständig mit einem Dielektrikum gefüllt ist: C = ε_rC₀ = κ_eC₀, wobei C₀ die Kapazität zwischen den Platten ohne Dielektrikum ist.

Anwendungen und Bedeutung

Dielektrika haben viele Anwendungen, die bedeutendste ist jedoch in Kondensatoren. Dielektrika wie Papier oder Kunststoff zwischen den Platten eines Kondensators dienen der mechanischen Trennung, der elektrischen Isolation und der Reduzierung des elektrischen Feldes, was zu einer höheren Kapazität führt. Die Anwendung eines Dielektrikums ermöglicht es einem Kondensator, eine höhere Potenzialdifferenz aufrechtzuerhalten und somit größere Mengen an Ladung und Energie zu speichern.

Zusammenfassung

Die Permittivität und die elektrische Suszeptibilität sind zentrale Konzepte in der Elektromagnetik, die das Verständnis von elektrischen Feldern, Kapazitäten und der Funktionsweise von Dielektrika in Kondensatoren erleichtern. Ihre Kenntnis ist für das Verständnis und die Entwicklung elektromagnetischer Anwendungen unerlässlich.