Techniklexikon

elektrische Polarisation

Elektrodynamik und Elektrotechnik, dielektrische Polarisation, Elektrisierung, Polarisation der Materie, Dipoldichte, auf die Volumeneinheit bezogenes elektrisches Dipolmoment eines Körpers. Die Einheit von P ist As/m² = C/m². Die elektrische Polarisation ist somit analog zur magnetischen Polarisation oder Magnetisierung. Durch die elektrische Polarisation kommt es dazu, dass in Materie nicht mehr nur die reinen Ladungen Quellen des elektrischen Feldes E sind. Dies kann durch die Einführung der dielektrischen Verschiebung D umgangen werden (Maxwell-Gleichungen), deren Quellen immer die reinen Ladungen sind. Der Zusammenhang zwischen D, E und P ist durch D = e₀ E + P gegeben, der zwischen E und P durch P = c_ee₀ E, mit c_e als elektrischer Suszeptibilität. Ein polarisierter Körper bleibt insgesamt elektrisch neutral, an seiner Oberfläche entstehen jedoch Oberflächenladungen, die das elektrische Feld im Inneren abschwächen (Entelektrisierung).

Neben der Bezeichnung eines elektrischen Zustandes des Körpers wird der Begriff elektrische Polarisation auch häufig für die Erzeugung von elektrischen Dipolmomenten in einem Körper durch ein äusseres elektrisches Feld E verwendet (induziertes elektrisches Dipolmoment). Es wird unterschieden zwischen spontaner oder permanenter, dielektrischer und paraelektrischer Polarisation.

Die permanente elektrische Polarisation, die auch ohne äusseres elektrisches Feld erhalten bleibt, stellt das Analogon zur permanenten Magnetisierung dar, obwohl die Ursachen anderer Natur sind: In einem Permanentmagneten kann die Polarisation nicht durch freie magnetische Ladungen kompensiert werden, während dies im elektrischen Fall möglich ist. Ein Körper mit permanenter elektrischer Polarisation wird Elektret genannt. Formen von natürlich auftretender permanenter elektrischer Polarisation sind z.B. Piezoelektrizität und Pyroelektrizität. Bei bestimmten Kristallen, den Ferroelektrika und Antiferroelektrika (Antiferroelektrizität), ordnen sich die permanenten Dipole in kleinen räumlichen Bereichen, ganz analog zu den entsprechenden magnetischen Materialien. Generell sind jedoch permanente elektrische Polarisationen wesentlich seltener und unauffälliger als magnetische und wurden daher auch erst später entdeckt (Elektrete wurden erstmals 1922 hergestellt).

Mit dielektrischer Polarisation werden alle Vorgänge bezeichnet, bei denen wie beim Diamagnetismus durch ein äusseres elektrisches Feld in einem Körper ohne permanente atomare Dipolmomente eine makroskopische elektrische Polarisation hervorgerufen wird. Dies ist der häufigste Fall bei Dielektrika. Hierzu gehört vor allem die Verschiebungspolarisation (Elektronenpolarisation), bei der durch Verschiebung der Elektronen gegenüber den Atomrümpfen ein Dipol induziert wird, und ausserdem die Gitterpolarisation, bei der geladene Atome bzw. -gruppen gegeneinander verschoben werden. Beide Polarisationsarten werden auch als Deformationspolarisation zusammengefasst.

Unter paraelektrischer Polarisation versteht man die Ausrichtung bereits vorhandener, ungeordneter mikroskopischer Dipole im elektrischen Feld wie beim Paramagnetismus. Dieser Vorgang wird meist Orientierungspolarisation genannt.

Wird ein Dielektrikum mit Elektroden kontaktiert, dringen Ladungsträger ein, die im äusseren Wechselfeld oszillieren und zu zusätzlichen dielektrischen Verlusten führen. Dieser Effekt heisst Raumladungspolarisation und kann auch an Kontaktflächen zwischen zwei Dielektrika auftreten.

Im weiteren Sinne wird auch die Ladungsumverteilung aufgrund elektrischer Felder in Medien mit frei beweglichen Ladungsträgern wie Metalle, Plasma oder Elektrolyte als elektrische Polarisation bezeichnet. Diese Art der Polarisation stellt den Grundmechanismus der elektrischen Abschirmung in solchen Stoffen dar (elektromagnetische Abschirmung).

elektrische Polarisation: Zur elektrischen Polarisation in einem homogenen Dielektrikum. s: Oberflächenladung, F: Oberfläche, l: Länge des Dielektrikums. PDV ist das elektrische Dipolmoment im Volumen DV.