Dielektrische Festigkeit
Die dielektrische Festigkeit eines Isoliermaterials wird definiert als die höchste elektrische Feldstärke, die es intrinsisch tolerieren kann, ohne seine isolierenden Eigenschaften zu verlieren. In einem ausreichend starken elektrischen Feld brechen die isolierenden Eigenschaften eines Isolators zusammen, was den Ladungsfluss ermöglicht. Die dielektrische Festigkeit wird als die maximale Spannung gemessen, die erforderlich ist, um einen dielektrischen Durchbruch durch ein Material zu erzeugen. Die dielektrische Festigkeit von trockener Luft beträgt etwa 3 MV/m (Megavolt pro Meter).
Es ist wichtig zu beachten, dass die dielektrische Festigkeit eines Materials je nach Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und dem Vorhandensein von Verunreinigungen oder Defekten variieren kann. In SI-Einheiten wird die dielektrische Festigkeit in Volt pro Meter (V/m) gemessen. Häufig verwendete Einheiten sind auch Volt pro Zentimeter (V/cm), Megavolt pro Meter (MV/m) und so weiter.
Dielektrische Festigkeit wichtiger Materialien
Die Tabelle unten zeigt die dielektrischen Festigkeiten einiger gängiger Isoliermaterialien. Beachten Sie, dass die Werte alle wesentlich größer sind als der Wert für Luft. Die dielektrische Festigkeit ist für Dielektrika in Kondensatoren sehr wichtig.
Die Einführung eines Dielektrikums dient auch dazu, die maximal mögliche Potentialdifferenz, die zwischen den Platten angelegt werden kann, auf einen bestimmten Wert \( V_{max} \), das sogenannte Durchbruchspotential, zu begrenzen. Wird dieser Wert wesentlich überschritten, bricht das dielektrische Material zusammen und bildet einen leitenden Pfad zwischen den Platten. Einige dieser Werte sind in der Tabelle unten aufgeführt.
- Luft: 3 kV/mm
- Vakuum: 20-150 kV/mm (abhängig vom Vakuumniveau)
- Diamant: 1-2 MV/mm
- Glas: 0.01-1 MV/mm (abhängig von Typ und Qualität)
- Papier: 5-50 kV/mm (abhängig von Dicke und Qualität)
- Glimmer: 10-200 kV/mm (abhängig von Typ und Qualität)
- Porzellan: 10-40 kV/mm
- Teflon: 60-120 kV/mm
- Polyethylen: 15-50 kV/mm (abhängig von Dichte und Qualität)
- PVC (Polyvinylchlorid): 40-50 kV/mm
Dielektrika in Kondensatoren
Dielektrika haben viele Anwendungen, aber die bedeutendste ist in Kondensatoren. In vielen Kondensatoren gibt es ein Isoliermaterial wie Papier oder Kunststoff zwischen den Platten. Ein solches Material, das als Dielektrikum bezeichnet wird, kann verwendet werden, um eine physische Trennung der Platten zu gewährleisten.
Das Einbringen eines festen Dielektrikums zwischen die Platten eines Kondensators erfüllt drei Funktionen:
- Mechanische Trennung
- Elektrische Isolation – ermöglicht höhere Spannungen
- Reduzierung des elektrischen Feldes – höhere Kapazität
Erstens löst es das mechanische Problem, zwei große Metallplatten in sehr geringem Abstand ohne tatsächlichen Kontakt zu halten. Zweitens ermöglicht die Verwendung eines Dielektrikums eine höhere potenzielle Differenz zwischen den Kondensatorplatten. Jedes Isoliermaterial, das einem ausreichend großen elektrischen Feld ausgesetzt ist, erfährt eine teilweise Ionisation, die eine Leitung durch es ermöglicht. Dies wird als dielektrischer Durchbruch bezeichnet. Viele dielektrische Materialien können stärkere elektrische Felder tolerieren, ohne zusammenzubrechen, als Luft.
Die Verwendung eines Dielektrikums ermöglicht es einem Kondensator, eine höhere Potentialdifferenz aufrechtzuerhalten und somit größere Mengen an Ladung und Energie zu speichern.
