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dielektrische Relaxation

Elektrodynamik und Elektrotechnik, zeitverzögerter Aufbau der elektrischen Polarisation P eines dielektrischen Mediums (Dielektrikum) nach Anlegen eines äusseren elektrischen Feldes E. Die charakteristische hierfür benötigte Zeit wird als Relaxationszeit t bezeichnet.

Der allgemeine Ansatz im Rahmen der Theorie der linearen Antwort für den Aufbau der dielektrischen Verschiebung dielektrische Relaxation ist

dielektrische Relaxation.

Für elektrische Wechselfelder E(t) führt dies zu einer frequenzabhängigen komplexen Dielektrizitätskonstanten e *(w) mit

dielektrische Relaxation.

e * ist meist nicht rein reell, es kommt also zu einer Phasenverschiebung d zwischen D und E (Verlustwinkel), für die dielektrische Relaxation gilt. Der anschauliche Grund für diese Phasenverschiebung ist ein "Nachhinken" der Reaktion der atomaren Dipole auf die erregende elektrische Welle. Die Tatsache, dass die elektrische Polarisation P dem elektrischen Feld E erst nach endlicher Zeit folgt, wird dielektrische Relaxation genannt. Die mittlere hierfür benötigte Zeit wird als Relaxationszeit t bezeichnet. Der Imaginärteil Im e* (w) nimmt bei w ³ t - 1 ein Maximum an, während der Realteil Re e *(w) eine Stufe von einem grossen Wert bei tieferen Frequenzen zu einem niedrigen Wert bei höheren Frequenzen durchläuft. Bei mittleren und hohen Frequenzen w ³ t - 1 wird dementsprechend die Phasenverschiebung d zwischen E und der dielektrischen Verschiebung D besonders gross, woraus die dielektrischen Verluste erwachsen.

Für die genaue Form der dielektrischen Relaxation, also für den Verlauf der Funktion e *(w) und den Wert der Relaxationszeit, gibt es eine Reihe phänomenologischer Modelle, deren historisch erstes die Debyesche Dipoltheorie war, in der die Orientierungspolarisation unter der Annahme berechnet wird, dass die kugelförmigen Dipole sich in einer Lösung der Viskosität h drehen können (Debye-Relaxation). Weitere wichtige Ansätze sind die Kohlrausch-Williams-Watts-Relaxation und die Havriliak-Negami-Relaxation. (elektrische Polarisation, Dispersion)

 

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