Dielektrikum und seine Permittivität 05:40 min

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir wollen heute wieder aus dem Gebiet "Elektrizität und Magnetismus" und endlich mal das Dielektrikum genauer ansehen und herausfinden, was die Permittivität ist. Wir lernen heute, was ein Dielektrikum eigentlich ist, was genau dadrin im elektrischen Feld passiert und was die Permittivität ist. So, dann mal los. Was ist es denn nun, das Dielektrikum? Als Dielektrikum bezeichnet man einen nicht oder kaum leitenden nicht-metallischen Stoff, dessen Ladungsträger im Normalfall nicht frei beweglich sind. Die Vorsilbe "Die" kommt übrigens vom griechischen "dia", was so viel wie "durch" heißt. Grob übersetzt kann man also sagen, "das elektrische Feld reicht durch" durch unseren Stoff. Es macht also anscheinend nur Sinn von einem Dielektrikum zu sprechen, wenn dieses sich auch in einem elektrischen Feld befindet.  Was aber passiert denn nun genau mit einem Dielektrikum im elektrischen Feld? Wenn wir unser Dielektrikum im elektrischen Feld beobachten, werden wir sogenannte Polarisationseffekte beobachten. Das heißt, dass die positiven und die negativen Ladungen vom Feld in verschiedene Richtungen gezerrt werden. So kommt es, dass die Ladungsträger unseres Dielektrikums, die ja nicht frei sind, um ein kleines Stück verschoben werden oder, dass sich Dipole, das heißt, z.B. Moleküle mit ungleicher Ladungsverteilung, alle auf die gleiche Art und Weise ausrichten. Was das bedeutet, hilft euch vielleicht dieses Bild besser zu verstehen. Links seht ihr ein Dielektrikum ohne elektrisches Feld und rechts das gleiche Dielektrikum unter Einfluss eines Plattenkondensators. Wie ihr sehen könnt, werden die Atomkerne, die ja positiv geladen sind, ein klein wenig zur negativen Kondensatorplatte hingezogen, während die Elektronen, die ja negativ geladen sind, ein klein wenig von der positiven Kondensatorplatte angezogen werden. Dadurch ist aber auf einmal die Ladungsverteilung in unserem Dielektrikum nicht mehr gleichmäßig, sodass es selbst ein elektrisches Feld verursacht. Falls ihr schon den Film über den Faradayschen Käfig gesehen habt, es handelt sich hier genau um den gleichen Effekt, nur deutlich schwächer. Wir sehen also: Durch die Polarisation bildet sich in unserem Dielektrikum ein Gegenfeld, das unser elektrisches Feld schwächt. Die Stärke dieses Effektes hängt nun vom Material ab, genauer gesagt von der Permittivität ε dieses Materials. Und da wir diese schon in verschiedenen Formen gesehen haben, wollen wir sie uns im letzten Kapitel noch mal genauer ansehen. Permittivität kommt vom lateinischen "permittere", was so viel bedeutet wie "erlauben" oder "durchlassen". Die Permittivität ist ein Maß für die Durchlässigkeit eines Stoffes bezüglich elektrischer Felder. Man schreibt ε=ε0×εr, wobei εr die relative Permittivität des Stoffes ist und ε0 die Permittivität des Vakuums. Die relative Permittivität eines Stoffes gibt also immer an, um wie viel sich seine Permittivität von der des Vakuums unterscheidet. Die Einheit der Permittivität ist A×s/V×m oder umgeformt C/V×m oder weiter umgeformt, falls ihr den Film über den Kondensator und seine Kapazität schon gesehen habt und euch das beim Verständnis hilft, F/m. Die Permittivität ist z.B. ungefähr 8,854×10^-12As/Vm. Diese wichtige Konstante ist z.B. auch bekannt als Dielektrizitätskonstante. Und warum man oft die Formeln für z.B. Coulombkraft, Feldstärke und Ähnliches gleich mit ε0 statt ε schreibt, versteht ihr vielleicht, wenn ich euch die relative Permittivität der Luft angebe. Die relative Permittivität der Luft ist nämlich 1,00059. Das heißt, sie unterscheidet sich fast gar nicht von der des Vakuums. Und da in den meisten Aufgaben eh in Luft oder Vakuum berechnet wird, benutzt man oft statt ε gleich ε0 in den Formeln. Wichtig wird unsere ε=ε0×εr Formel von oben dann, wenn wir in einem anderen Dielektrikum als Luft oder Vakuum rechnen sollen. Für Glas z.B. liegt die relative Permittivität bei 6-8. Das heißt, die Permittivität von Glas ist ungefähr 6-8 Mal so hoch wie die von Vakuum. Da kann ich dann natürlich nicht mehr einfach ε0 in der Formel schreiben.  Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Als Dielektrikum bezeichnet man ein nicht oder kaum leitendes Nicht-Metall, dessen Ladungsträger unter normalen Umständen nicht frei beweglich sind. Im elektrischen Feld verschieben sich die Ladungsträger eines Dielektrikums leicht bzw. Dipole richten sich aus, sodass eine leichte Polarisation im Dielektrikum entsteht. Dadurch entsteht ein Gegenfeld, das das elektrische Feld schwächt. Die Stärke dieses Effekts hängt von der Permittivität ε ab. Die Permittivität eines Materials gibt an, wie durchlässig dieses Material für elektrische Felder ist.  So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen. Vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle