Polarisierungsladung

Wenn Sie ein elektrisches Feld über ein isolierendes Material anlegen, reagieren die Moleküle darin, indem sie ihre Elektronenwolken relativ zu ihren Atomkernen verschieben. Diese Umverteilung hinterlässt eine Seite des Materials leicht positiv und die andere leicht negativ, obwohl das Material insgesamt elektrisch neutral bleibt. Diese Oberflächenladungen und inneren Ladungen nennen wir Polarisationsladungen, und sie bleiben bestehen, solange das Feld vorhanden ist.

Der Mechanismus hängt von der molekularen Struktur des Materials ab. In manchen Dielektrika rotieren ganze polare Moleküle (solche mit angeborenen positiven und negativen Enden) zur Ausrichtung mit dem Feld. In anderen verformt das Feld tatsächlich die Elektronenverteilung innerhalb von apolaren Atomen und erzeugt vorübergehende Dipole. Die Dichte und Geschwindigkeit dieser Reaktion unterscheidet sich dramatisch: Keramiken polarisieren sich sofort, während sich Wassermoleküle langsamer ausrichten, weil sie sich frei bewegen können. Bei hohen Frequenzen können einige Polarisationsmechanismen einfach nicht mithalten, und das Verhalten des Materials ändert sich messbar.

Wo Polarisationsladungen praktisch von Bedeutung sind

Polarisationsladungen beeinflussen direkt die Kapazität eines Dielektrikums und seine Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern. Ein Kondensator mit keramischem Dielektrikum hat eine viel höhere Kapazität als einer mit Luft, weil die Polarisationsladungen des Dielektrikums das Feld ergänzen. Diese gespeicherte Ladung erzeugt jedoch auch ein Problem: Wenn Sie den Kondensator trennen und warten, klingen die Polarisationsladungen langsam ab, während die Moleküle in zufällige Orientierungen zurückdriften. Diese Restspannung, genannt dielektrische Absorption, kann in Hochspannungsschaltungen gefährlich sein und führt dazu, dass Kondensatoren auch nach der Entladung teilweise wieder aufgeladen zu sein scheinen.

Temperatur und Feuchte sind die großen Feinde einer stabilen Polarisation. Wärme erhöht die molekulare Bewegung und wirkt gegen die Ausrichtung; Feuchte in hygroskopischen Materialien ändert die wirksame Dielektrizitätskonstante, indem sie Wassermoleküle bevorzugt polarisiert. In Transformatorenölen und anderen flüssigen Dielektrika verursacht gelöstes Wasser Polarisationsströme, die Energie verschwenden und Wärme erzeugen. Deshalb enthalten Spezifikationen für Kondensatoren und Hochspannungsgeräte oft Grenzen für den Feuchtegehalt und die Betriebstemperatur.

Der Verlustwinkel (oder Verlustfaktor) eines Dielektrikums misst, wie viel Energie als kontinuierlicher Aufbau und Entspannung von Polarisationsladungen verschwendet wird. Ein perfektes Dielektrikum hätte einen Verlustwinkel von null; echte Materialien, besonders bei Netzfrequenzen, wandeln einen Teil der Feldenergie in Wärme um. Ingenieure wählen Dielektrika basierend auf akzeptablen Verlusten für ihre Anwendung, ob das ein Koppelkondensator ist, bei dem gewisse Verluste akzeptabel sind, oder eine Hochspannungsdurchführung, bei der Verluste minimal sein müssen.