Techniklexikon

dielektrischer Verlust

Elektrodynamik und Elektrotechnik, Verlust elektrischer Energie in dielektrischer Materie (Dielektrikum) aufgrund von Polarisationseffekten (elektrische Polarisation). Ein Beispiel ist der Energieverlust in einem Kondensator bei Einschalten des elektrischen Feldes.

Für die dielektrische Verschiebung gilt allgemein D(w) = e *(w)E(w) mit e *(w) als komplexer Dielektrizitätskonstanten. e * ist meist nicht rein reell, es kommt also zu einer Phasenverschiebung zwischen D und E. Der anschauliche Grund für diese Phasenverschiebung ist ein "Nachhinken" der Reaktion der atomaren Dipole auf die erregende elektrische Welle (dielektrische Relaxation). Dies führt zu einer Abnahme der elektrischen Energiedichte w = ED/2, die im Dielektrikum in Wärmeenergie umgewandelt wird (dielektrische Erwärmung). Der Energieverlust DW eines Wechselfeldes der Kreisfrequenz w, der der abgegebenen Wärme Q entspricht, ist

mit , der Dielektrizitätskonstanten des Vakuums e₀ und der Amplitude des elektrischen Feldes E₀. Der Imaginärteil der komplexen Dielektrizitätskonstanten ist also der entscheidende Parameter zur Beschreibung des elektrischen Energieverlustes in Materie; daher die Bezeichnung Verlustmodul für . Die Stärke der dielektrischen Verluste wird üblicherweise durch den Verlustwinkel d angegeben, dem Phasenwinkel von h(w): tan d(w) = Im e *(w)/Re e *(w).

Das Verhalten von  kann mit einer Relaxationszeit t beschrieben werden. Die Verluste werden maximal, wenn t ^{- 1} ~ w₀ gilt (w₀: Resonanzfrequenz, dielektrische Relaxation, Dispersion). Für die Orientierungspolarisation liefert die Debyesche Dipoltheorie t = 4phr³/k_BT (h: Viskosität, r: Molekülradius, k_B: Boltzmann-Konstante, T: absolute Temperatur, Debye-Relaxation).

Durch die Raumladungspolarisation (Eindringen von Ladungsträgern) kann es zu weiteren dielektrischen Verlusten kommen.