dielektrika

Dielektrika er en fællesbetegnelse for materialer, som ikke leder elektrisk strøm (isolatorer). Glas, gummi og forskellige arter plast er eksempler på faste dielektrika, men også mange væsker og gasser er dielektrika. Dielektrika anvendes overalt i elektroteknikken som elektrisk isolering og som medier, hvori elektromagnetiske bølger, især lys, kan udbrede sig.

Faste materialer kan opdeles i ledere og dielektrika efter deres evne til at lede elektrisk strøm. En leder, typisk et metal, har atomer, hvis yderste elektroner kun er løst bundne. I metallet er de ikke knyttet til et enkelt atom, men er en slags fælles ejendom for alle atomer. Under påvirkning af et elektrisk felt vil disse ledningselektroner eller frie elektroner vandre i metallet, hvilket forårsager den elektriske strøm.

I et dielektrikum er alle elektroner derimod fast bundet til deres atom eller molekyle med tilnærmet elastiske kræfter. Virkningen af et ydre elektrisk felt er da, at elektronerne forskydes en smule mod feltretningen, sådan at atomets elektronsky ligger lidt skævt i forhold til atomets kerne. Den ene ende af atomet har da et overskud af negativ ladning, den anden af positiv; atomet er blevet en elektrisk dipol med et dipolmoment. Man siger, at hvert atom og hele dielektrikumet er blevet polariseret.

De polariserede atomer har alle samme retning, hvilket makroskopisk betyder, at fx en terning af et polariseret dielektrikum på én flade har overskud af negativ ladning og på den modsatte side overskud af positiv ladning. Disse overfladeladninger kaldes bundne ladninger, da de skyldes elektroner, som er bundet i de enkelte atomer eller molekyler.

De bundne ladninger reducerer den elektriske feltstyrke inde i dielektrikumet. En elektrisk pladekondensator fyldt med et dielektrikum kan derfor, ved given spænding, oplagre mere ladning end den samme kondensator fyldt med luft (egl. vakuum). Dens kapacitans er forøget med en faktor ε_r, der kaldes dielektrikumets relative permittivitet, tidligere kaldt dielektricitetskonstant. For faste dielektrika er ε_r et tal mellem ca. 2 og 8. For materialer, hvis molekyler har et permanent dipolmoment, de såkaldt polare molekyler, er den relative permittivitet større. Et vigtigt eksempel er vand med ε_r = 80.

Polarisationen af et materiale angives ved en vektor P (enhed: coulomb pr. m²), hvis fysiske betydning er dipolmoment pr. volumen. Det er den elektriske feltstyrke E (enhed: volt pr. m) i materialet, som polariserer dette; erfaringen viser, at der mellem de to vektorer ofte er en simpel proportionalitet P = χε₀E, hvor ε₀ er vakuumpermittiviteten (se elektrisk felt), og den dimensionsløse størrelse χ er den elektriske susceptibilitet. Feltet E skabes af både frie ydre ladninger og af de bundne ladninger, som det selv fremkalder. Det viser sig hensigtsmæssigt yderligere at indføre den elektriske fluxtæthed D, som alene skyldes frie ladninger. Den generelle sammenhæng mellem felterne er da D = ε₀E+P. Med susceptibiliteten indført bliver D = (1+χ)ε₀E = εE. Størrelsen ε = (1+χ)ε₀ = ε_rε₀ med enheden farad pr. m kaldes materialets permittivitet.

De ovenfor definerede felter er udgangspunkt for den teoretiske og praktiske behandling af de fleste makroskopiske fænomener i dielektrika. Grundlaget er Maxwell-ligningerne, som for hurtigt varierende felter fører til elektromagnetiske bølger i dielektrika. For lysbølger bliver fundamentale optiske fænomener som refleksion og refraktion ved grænsefladen mellem to dielektrika dermed omfattet af den elektromagnetiske teori.

Af teorien følger, at lys i et dielektrikum udbreder sig med hastigheden , hvor c er lyshastigheden i vakuum. Dermed er optikkens refraktionsindeks n forbundet med permittiviteten, idet . Da permittiviteten afhænger af lysets frekvens, gælder dette også lysets hastighed i materialet. Fænomenet kaldes dispersion og giver fx anledning til den velkendte farvespredning af lys i prismer.