Polarisation

1. Polarisation Antwort auf ein elektrisches Feld auf mikroskopischer Skala

2. Inhalt • Materialeigenschaften auf atomarer Skala: • Verschiebungspolarisation • Orientierungspolarisation • Dielektrika (Bezeichnung sowohl der Stoffklasse als auch, spezieller, der Dielektrika mit Verschiebungspolarisation) • Parelektrika (Dielektrika mit Orientierungs-polarisation) • Ferroelektrika (Kristalline Materialien) • Pyroelektrika (Kristalline Materialien) • Piezoelektrika (Kristalline Materialien)

3. Polarisation auf atomarer Skala Im Material erscheinen Dipole, Gründe: • Verschiebungspolarisation • Ursache für Dielektrizität, in allen Materialien vorhanden • Orientierungspolarisation • Erscheint in Parelektrischen Materialien • Voraussetzung: Polare Moleküle • Im elektrischen Feld werden sie ausgerichtet • Die thermische Bewegung verhindert vollständige Ausrichtung • Häufigkeit der Orientierung entsprechend dem Boltzmannfaktor • Ferroelektrizität: kollektive Polarisation im Gitter

4. Dipole in Materie

5. Verschiebungspolarisation • Die Schwerpunkte der Ladungen verschieben sich im äußeren Feld • Neutrale Atome werden zu Dipolen • Temperaturunabhängig • Schnell, in Phase mit der Anregung, folgt den Lichtwellen und verursacht den Brechungsindex (Ausnahme: Resonanzen), • Die Strahlung der angeregten Dipole istUrsache der „kohärentenStreuung“ • Schwacher Effekt, ist aber immer vorhanden • Keine Sättigung, wächst mit der Feldstärke

6. Verschiebungspolarisation Atom mit Kern und negativer Elektronenwolke

7. Verschiebungspolarisation Feldrichtung Molekularer Dipol

8. 106 103 1 0,1 1 10 100 1000 1.000.000 Wechselwirkung eines Kohlenstoff Atoms mit Röntgenstrahlen: Kohärente Streuung Ursache für „klassische“ Streuprozesse: Verschiebungs-polarisation Kohärente Streuung bei W<500 keV: Die ganze Ladungswolke schwingt im Takt der einfallenden Strahlung und sendet in „Phase“:Strahlung gleicher Energie: „Rayleigh Streuung“ für alle Frequenzen unterhalb harten Röntgenlichts Paarbildung Kohärente Streuung Compton-Effekt Photoeffekt

9. Orientierungspolarisation: Parelektrische Stoffe • Auf vorhandene Dipole wirkt ein Drehmoment im äußeren Feld • Dipole drehen sich in Feldrichtung • Temperaturbewegung stört die Ausrichtung • Hinkt dem Feld nach, je mehr, je höher viskos das Medium ist • Sättigung ist erreicht, wenn alle Dipole ausgerichtet sind • Ständige Umorientierung in Wechselfeldern erfordert Energie, die durch Reibung im Wärme übergeht

10. Orientierungspolarisation Dipol, z. B. Wasser

11. Orientierungspolarisation Dipol, z. B. Wasser, Schwerpunkte der positiven und negativen Ladung

12. Elektrische Dipole

13. Verknüpfung zwischen Dielektrizitätszahl ε und mikroskopischer Polarisierbarkeit p

14. Versuch • Kraft auf Luftblasen in Öl. Eine in einem Ölbad befindliche Spitze wird aufgeladen. Im Öl entstehen Dipole, die zur Spitze streben. Die Luftblasen stören dabei, sie werden von der Spitze weg gedrängt.

15. Sättigung P E Parelektrische Materialien χ = 1 + ε

16. Wärme durch Orientierungspolarisation Ständige Umorientierung in Wechselfeldern erfordert Energie, die durch Reibung im Wärme übergeht • Anwendung: Mikrowellengeräten für Medizin und Haushalt erwärmen Wasser mit 2450 GHz • Hochspannungs-Transport in Unterwasserkabeln: Wegen der im Wasser bei 50 Hz Wechselstrom zu erwartenden Verluste wird unter Wasser nur Gleichstrom übertragen • Erfordert z. B. an Windrädern auf See Gleichrichter beim Eingang in das Kabel, Wechselrichter beim Übergang auf das Drehstromnetz an Land • vgl. Hoch- Gleichspannungsübertragung BRD - Schweden: http://www.balticcable.com/

17. Ferroelektrika • Ferroelektrika sind kristalline Materialien • Unterhalb der „Curie Temperatur“ erscheinen permanente Dipole • Im elektrischen Feld bewirkt die Wechselwirkung zwischen den Gitterplätzen eine kollektive Ausrichtung • Sehr hohe Dielektrizitätszahl

18. Polarisation in Ferroelektrika Beispiel: Einheitszelle eines BaTiO3 Kristalls. Unterhalb Tc, der Curie Temperatur, verschiebt sich der Schwerpunkt der negativen gegenüber der positiven Ladung

19. P E Hysterese Ferroelektrische Materialien

20. Versuch • Hysterese am BaTiO3

21. Piezoelektrische Materialien • Kristalline Materialien, Coulombkräfte zwischen polaren Baugruppen sind im Gleichgewicht mit elastischen Kräften • Mechanischer Druck ändert die Länge des Bauteils und stört das Gleichgewicht: Es erscheinen Ladungen an den Oberflächen • Umkehrung des Effekts: Ein elektrisches Feld ändert die Längen • Anwendung: Elektro-mechanische Aktoren

22. Pyroelektrische Materialien • Analog zu den piezoelektrischen Materialien, anstelle des mechanischen Drucks steht die Temperatur: • Die Temperatur ändert die Länge des Bauteils und stört das Gleichgewicht: Es erscheinen Ladungen an den Oberflächen

23. Schema eines piezoelektrischen Kristalls

24. Versuch • Spannung am Seignette-Salz bei zunehmendem Druck

25. Relative Permittivität einiger Materialien • Werte für 18° C und 50 Hz bzw. *) angegebene Frequenz

26. Bedeutung der Dielektrika • Ein mit Dielektrikum hoher Dielektrizitätszahl gefüllter Kondensator kann bei gleicher Spannung mehr Ladung speichern U = Q/(ε·Cvac) • Spannung ist der Quotient Arbeit durch Ladung, d. h. , zur Speicherung einer Ladung ist weniger Energie aufzubringen

27. Zusammenfassung Eigenschaften der Materialien in allen Aggregatzuständen: • Dielektrika: Dipole entstehen im Feld durch Verschiebung der Elektronenhüllen gegen die pos. Ladung, 1< εr <10 • Ursache für „kohärente Streuung“ bei Anregung durch eine ebene Welle • Parelektrika: Vorhandene Dipole werden im Feld ausgerichtet, 10< εr <100 • Sättigung, wenn alle Dipole ausgerichtet sind • Temperatur wirkt gegen die Ordnung: Curie Gesetz für die Suszeptibilität, χ proportional 1/T • Verluste durch Reibung bei der Umorientierung unter Wechselfeldern, Anwendung bei Wasser: Mikrowellenherd Nur in Kristallen: • Ferroelektrika, Ausrichtung großer polarer Bereiche, 103 < εr <105 • Pyroelektrika: Dipole entstehen bei Erwärmung • Piezoelektrika: Dipole entstehen bei Druck • Anwendung: Elektromechanische Aktoren

28. finis