Schauen Sie sich die Keramik-Toilette oder das Waschbecken in Ihrem Badezimmer an. Wahrscheinlich nicht, aber das liegt daran, dass dieses Material eine Eigenschaft hat, die oft übersehen wird. Es ist ein Dielektrikum, dh eine Substanz, die einen schlechten Stromleiter, aber ein gutes Mittel zur elektrischen Speicherung darstellt. Unabhängig davon, ob es sich um Keramik, Glas, Luft oder sogar Vakuum (ein weiteres gutes Dielektrikum) handelt, verwenden Wissenschaftler die sogenannte Dielektrizitätskonstante, bei der es sich um das Verhältnis der Permittivität einer Substanz zur Permittivität des freien Raums handelt. Oder für Laien das Verhältnis der Menge an elektrischer Energie, die in einem Material durch eine angelegte Spannung gespeichert ist, zu der Menge, die in einem Vakuum gespeichert ist.
Verwirrt? Nun, vielleicht ist eine kleine Erklärung notwendig, um einige der technischen Hindernisse für das Verständnis zu beseitigen. Zunächst wird ein Dielektrikum als Isoliermaterial oder als sehr schlechter elektrischer Stromleiter definiert. Wenn Dielektrika in ein elektrisches Feld gebracht werden, fließt praktisch kein Strom in ihnen, da sie im Gegensatz zu Metallen keine lose gebundenen oder freien Elektronen haben, die durch das Material driften können. Stattdessen tritt eine elektrische Polarisation auf, bei der die positiven Ladungen innerhalb des Dielektrikums geringfügig in Richtung des elektrischen Feldes verschoben werden und die negativen Ladungen geringfügig in die dem elektrischen Feld entgegengesetzte Richtung verschoben werden. Diese leichte Ladungstrennung oder Polarisation verringert das elektrische Feld innerhalb des Dielektrikums selbst. Diese Eigenschaft macht es, wie bereits erwähnt, zu einem schlechten Leiter, aber zu einem guten Speichermedium.
In der Praxis sind die meisten dielektrischen Materialien fest. Wie bereits erwähnt, ist trockene Luft ebenso dielektrisch wie die meisten reinen, trockenen Gase wie Helium und Stickstoff. Diese haben eine niedrige Dielektrizitätskonstante, während Dinge wie Metalloxide eine hohe Konstante haben. Materialien mit moderaten Dielektrizitätskonstanten umfassen Keramik, destilliertes Wasser, Papier, Glimmer, Polyethylen und Glas. Mit zunehmender Dielektrizitätskonstante steigt die elektrische Flussdichte (die Gesamtmenge der elektrischen Ladung pro Fläche), jedoch nur, wenn alle anderen Faktoren unverändert bleiben. Dies ermöglicht wiederum Objekten einer bestimmten Größe, wie beispielsweise Sätze von Metallplatten, ihre elektrische Ladung über lange Zeiträume zu halten und / oder große Ladungsmengen zu halten.
Aufgrund ihres guten Isoliermaterials (oder Dielektrikums) werden Metalloxide, trockene Luft und Vakuum häufig beim Bau von Hochenergiekondensatoren sowie Hochfrequenzübertragungsleitungen verwendet, bei denen elektrische Energie bei Hochfrequenzen gespeichert wird.
Wir haben viele Artikel über die Dielektrizitätskonstante für das Space Magazine geschrieben. Hier ist ein Artikel über die Funktionsweise von Mikrowellen und hier ein Artikel über den Tischtest der allgemeinen Relativitätstheorie.
Wenn Sie weitere Informationen zur Dielektrizitätskonstante wünschen, lesen Sie diese Artikel aus Hyperphysik und Webphysik.
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast über Elektromagnetismus aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 103: Elektromagnetismus.
Quellen:
http://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric
http://en.wikipedia.org/wiki/Relative_permittivity
http://en.wikipedia.org/wiki/Flux
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/162637/dielectric-constant
http://searchcio-midmarket.techtarget.com/sDefinition/0,,sid183_gci546287,00.html
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/162630/dielectric
