Untersuchung von Wasser als Dielektrikum im Kondensator

2.1 Das Dielektrikum
Das Dielektrikum ist der zentrale Begriff unseres Versuches. Ein Dielektrikum ist ein Material, welches sich
durch seine isolierenden Eigenschaften auszeichnet, wobei jede nicht leitende Substanz in Frage kommt. Aus-
schlaggebend ist, dass die Ladungsträger nicht frei beweglich sind. Dabei können Dielektrika sowohl gasförmig,
flüssig als auch starr sein.
In der Elektrostatik sind Dielektrika aufgrund ihrer Eigenschaften in einem äußerem Feld interessant. Im elektri-
schem Feld werden die Moleküle des Stoffes polarisiert, es findet also eine molekulare Ladungsverschiebung statt.
Bildlich muss man sich die Moleküle wie kleine Dipole vorstellen, welche statistisch in Raum und Ausrichtung
verteilt sind.
Abbildung 1: Ausrichtung der Dipole im externem Feld
Ohne Feld ist keine Vorzugsrichtung vorhanden, da die Bewegungsenergie zu einer statistischen Ausrichtung der
Moleküle führt. (Dies gilt nicht für ferroelektrische Kristalle, welche sich unterhalb der Curie-Temperatur von
selber ausrichten.)
Das durch die Dipole induzierte Feld wirkt dem externen Feld entgegen. Die Beweglichkeit der Ladungen bzw.
die Polarisation der Moleküle ist jedoch begrenzt, sodass das äußere Feld nicht, wie in einem idealen Leiter,
gänzlich ausgeglichen wird.
Hier ist noch hinzuzufügen, dass es ab einer bestimmten Spannung zu Überschlägen zwischen den Konden-
satorplatten kommt. Diese für ein Dielektrikum spezifische Eigenschaft heißt “Durchschlagsfestigkeit”. In den
Feldstärken, in denen wir arbeiten, spielt dieser Effekt aber keine Rolle.
Um jedoch etwas genauer die Gründe und Arten der Polarisation zu verstehen, soll an dieser Stelle vorerst
eine Charakterisierung der verschiedenen molekularen Polarisierungen vorgenommen werden:
• Orientierungspolarisation: Sie tritt auf bei polaren Molekülen, welche ein permanentes inneres Dipol-
moment −→ p besitzen. Die Moleküle werden durch das wirkende Drehmoment −→ N = −→ p × −→ E im externen
Feld ausgerichtet. Dem Drehmoment wirkt jedoch die molekulare Temperaturbewegung entgegen.
Die Energie eines Dipols in einem homogenen äußeren Feld ist
V (ϑ) = − −→ p · −→ E = −p · E · cos (ϑ) (2)
Die Polarisation −→ P ist definiert als resultierendes Dipolmoment pro Volumen
P = N · p · cos (ϑ) (3)
5