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Leiter und Isolatoren
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Bei Isolatoren bewegen sich die Ladungen nicht, was bedeutet, dass das Material nicht polarisiert werden kann. In Leitern bewegen sich die Ladungen polarisierend und modifizieren das Feld. Kapazitäten weisen üblicherweise dielektrische Materialien zwischen den Platten auf, die durch Erhöhen der Kapazität vorgespannt werden können.
ID:(1572, 'ky')
Elektromobilitätsfracht
Beschreibung
Elektrische Mobilität beschreibt, wie leicht sich ein geladenes Teilchen innerhalb eines Mediums bewegen kann, wenn es von einem externen elektrischen Feld beeinflusst wird. Diese Eigenschaft fasst das dynamische Gleichgewicht zwischen der durch das Feld erzeugten Beschleunigung und dem Energieverlust zusammen, der durch mikroskopische Wechselwirkungen mit der Struktur des Materials verursacht wird.
Wenn ein Ladung ($q$) in einem Elektrisches Feld ($\vec{E}$) gefunden wird, tritt ein Elektrische Kraft ($\vec{F}$) auf:
Diese Kraft beschleunigt das Teilchen. Ohne Interaktionen würde seine Geschwindigkeit mit der Zeit kontinuierlich zunehmen. In realen Medien interagieren geladene Teilchen jedoch permanent mit der sie umgebenden Umgebung.
Abhängig von der Art des Materials können diese Wechselwirkungen Kollisionen mit Atomen, thermische Schwingungen des Kristallgitters, Verunreinigungen, strukturelle Defekte, Flüssigkeitsmoleküle und andere geladene Teilchen umfassen.
Bei jeder Wechselwirkung wird ein Teil der kinetischen Energie der Ladung auf das Medium übertragen. Infolgedessen wird die durch das elektrische Feld erzeugte kontinuierliche Beschleunigung durch eine durchschnittliche Bremsung, die mit einem Energieverlust verbunden ist, kompensiert.
Das System erreicht dann einen stationären Zustand, in dem das Teilchen nicht mehr unbegrenzt beschleunigt, sondern eine konstante Durchschnittsgeschwindigkeit erreicht, die Driftgeschwindigkeit genannt wird.
Experimentell wurde beobachtet, dass diese Durchschnittsgeschwindigkeit proportional zum angelegten elektrischen Feld ist:
 $\vec{v} = \mu_q \cdot \vec{E}$
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mit Partikelgeschwindigkeit ($\vec{v}$), Elektromobilität ($\mu_q$) und Elektrisches Feld ($\vec{E}$).
Die Elektromobilität misst dann die Fähigkeit des Mediums, die Verschiebung von Ladungen unter der Wirkung des Feldes zu ermöglichen. Ein hoher Mobilitätswert weist darauf hin, dass die Partikel relativ lange Strecken zurücklegen können, bevor sie erheblich Energie verlieren, während eine niedrige Mobilität starke Wechselwirkungen und starkes Bremsen innerhalb des Mediums widerspiegelt.
Mikroskopisch gesehen hängt die Mobilität davon ab, wie häufig Kollisionen auftreten und wie stark sie die Bewegung der Teilchen beeinflussen. In sehr geordneten und reinen Materialien können sich Ladungen freier bewegen und die Mobilität nimmt zu. Bei ungeordneten, viskosen oder stark verunreinigten Materialien sind die Energieverluste größer und die Mobilität nimmt ab.
Mobilität verbindet somit das mikroskopische Verhalten von Partikeln mit dem makroskopischen Transport von elektrischem Strom. Je größer die Mobilität, desto effizienter kann das elektrische Feld eine kollektive Ladungsbewegung innerhalb des Materials erzeugen.
ID:(16292, 'gm')
Widerstandsmechanismus
Beschreibung
Wenn ein elektrisches Feld vorhanden ist, erfahren die freien Elektronen im Material aufgrund ihrer negativen Ladung eine Kraft, die sie in die entgegengesetzte Richtung zum Feld treibt.
Mikroskopisch gesehen bewegen sich Elektronen nicht frei in geraden Linien. Während sie sich bewegen, interagieren Atome des Kristallgitters, thermische Schwingungen, Defekte, Verunreinigungen und mikroskopische Grenzen zwischen Regionen des Materials kontinuierlich mit der inneren Struktur des Materials.
Diese Wechselwirkungen erzeugen ständige Kollisionen und Ablenkungen auf dem Weg der Elektronen. Infolgedessen resultiert die globale Bewegung aus einer Kombination aus Beschleunigung durch das elektrische Feld und Bremsung durch die Materialstruktur.
Das Endergebnis ist eine langsame, geordnete Durchschnittsbewegung, die Driftgeschwindigkeit genannt wird. Obwohl sich jedes einzelne Elektron aufgrund seiner thermischen Bewegung schnell und chaotisch bewegen kann, führt das elektrische Feld zu einer kleinen kollektiven Tendenz, sich in eine bevorzugte Richtung zu bewegen.
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$\vec{J} = \sigma \cdot \vec{E}$
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Der Treibende Stromdichte ($\vec{J}$) repräsentiert genau diesen makroskopischen Nettoladungsfluss durch das Material. Je größer der angelegte Elektrisches Feld ($E$) ist, desto größer ist die durchschnittliche Kraft auf die Elektronen und desto größer ist der erzeugte Stromfluss.
Die Proportionalitätskonstante entspricht dem Wert Elektrische Leitfähigkeit ($\sigma$) des Materials, der misst, wie leicht sich Lasten innerhalb der Struktur bewegen können. Ein Material mit hoher Leitfähigkeit verfügt über Elektronen, die zwischen Kollisionen relativ lange Distanzen zurücklegen können, während ein Material mit geringer Leitfähigkeit den Ladungstransport stark behindert.
Bei Kollisionen wird ein Teil der Energie, die Elektronen aus dem elektrischen Feld aufnehmen, auf das Atomgitter des Materials übertragen. Diese Energie wird hauptsächlich in mikroskopische Schwingungen von Atomen umgewandelt, wodurch die innere Wärmeenergie des Körpers erhöht wird. Makroskopisch wird dies als Widerstandserwärmung oder Joule-Effekt beobachtet.
Daher entspricht die elektrische Leitung in realen Materialien keiner freien Bewegung ohne Verluste, sondern einem dynamischen Prozess, bei dem das elektrische Feld kontinuierlich Energie an die Ladungen abgibt und diese diese zunehmend in der mikroskopischen Struktur des Materials ableiten.
ID:(11763, 'gm')
Lastflussdichte
Beschreibung
Die Ladungsflussdichte beschreibt, wie viel elektrische Ladung pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit durch eine Oberfläche fließt. Um es zu bestimmen, wird eine Menge geladener Teilchen betrachtet, die in einem Volumen verteilt sind und sich unter der Wirkung eines elektrischen Feldes mit mittlerer Geschwindigkeit bewegen.
Gehen Sie von einem Medium aus, das eine gleichmäßige Konzentration geladener Teilchen enthält. Wenn die Teilchen eine durchschnittliche Driftgeschwindigkeit haben, bewegen sie sich in einem kleinen Zeitintervall um eine bestimmte Distanz in Bewegungsrichtung. Infolgedessen passieren alle in einem Blatt des überstrichenen Volumens enthaltenen Partikel die betrachtete Oberfläche.
Das in diesem Zeitraum transportierte Volumen entspricht der Oberfläche multipliziert mit der von den Partikeln zurückgelegten Strecke. Wenn die Partikelkonzentration pro Volumeneinheit bekannt ist, kann berechnet werden, wie viele Partikel in dieser Zeit die Oberfläche passieren.
Indem man dann die Anzahl der Teilchen mit der individuellen Ladung jedes einzelnen Teilchens multipliziert, erhält man die Gesamtmenge der transportierten Ladung. Die Division durch Fläche und Zeit ergibt schließlich die Stromdichte bzw. Ladungsflussdichte.
Das Ergebnis führt zu:
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$\vec{J} = C_n \cdot q \cdot \vec{v}$
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mit Treibende Stromdichte ($\vec{J}$), Ladungs Konzentration ($C_n$), Ladung ($q$) und Partikelgeschwindigkeit ($\vec{v}$).
Die Gleichung zeigt, dass die Stromdichte zunimmt, wenn mehr Teilchen zum Ladungstransport zur Verfügung stehen, jedes Teilchen eine größere Ladung hat oder sich die Teilchen schneller im Medium bewegen.
Diese Beziehung verbindet das mikroskopische Verhalten geladener Teilchen direkt mit dem makroskopischen Transport von elektrischem Strom, der in Leitern, Plasmen, Elektrolyten und anderen materiellen Medien beobachtet wird.
ID:(16293, 'gm')
Elektrische Leitfähigkeit
Beschreibung
Aus der Definition von Treibende Stromdichte ($\vec{J}$) basierend auf Ladungs Konzentration ($C_n$), Ladung ($q$) und Partikelgeschwindigkeit ($\vec{v}$):
und wie bei Elektromobilität ($\mu_q$) und Elektrisches Feld ($\vec{E}$):
Sie müssen die Beziehung zu Elektrische Leitfähigkeit ($\sigma$) haben
Lassen Sie uns daraus schließen
ID:(16291, 'gm')
Materielle Polarisierung
Beschreibung
Wenn ein Isoliermaterial einem externen elektrischen Feld ausgesetzt wird, reagieren seine inneren Ladungen mit einer mikroskopischen Reorganisation. Negative Ladungen neigen dazu, sich leicht in die entgegengesetzte Richtung des Feldes zu bewegen, während sich positive Ladungen leicht in die Richtung des Feldes bewegen. Da beide innerhalb von Atomen oder Molekülen verbunden bleiben, kommt es nicht wie bei einem Leiter zu einer vollständigen Ladungstrennung und einem freien Fluss.
Das Ergebnis ist die Bildung oder Neuausrichtung kleiner elektrischer Dipole, die im Material verteilt sind. In Abwesenheit eines äußeren Feldes sind diese Dipole normalerweise zufällig ausgerichtet, sodass sich ihre Wirkungen gegenseitig kompensieren und es zu keiner nennenswerten makroskopischen Polarisation kommt.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes beginnt das Material, eine Vorzugsorientierung zu entwickeln. Je größer das angelegte Feld ist, desto größer ist die Tendenz der Dipole, sich gemeinsam auszurichten. Diese teilweise Ausrichtung erzeugt eine Nettopolarisierung des Materials, d. h. eine durchschnittliche effektive Trennung zwischen positiven und negativen Ladungen innerhalb des Volumens.
Die Polarisation erzeugt gebundene Ladungen auf den Oberflächen des Materials und erzeugt ein internes induziertes Feld, das dem angelegten Feld teilweise entgegenwirkt. Da die Ladungen jedoch mikroskopisch gebunden bleiben, löscht sich das Feld nicht vollständig aus und dringt weiterhin in das Dielektrikum ein.
In vielen Isoliermaterialien, insbesondere für mäßige Felder, wurde experimentell beobachtet, dass Dipolmoment ($\vec{P}$) ungefähr proportional zum angewendeten Elektrisches Feld ($E$) zunimmt. Die Proportionalitätskonstante hängt von der Fähigkeit des Materials ab, seine inneren Dipole unter der Wirkung des Feldes zu verformen oder auszurichten. Durch Eingabe von Elektrische Anfälligkeit ($\chi_e$) und Elektrische Feldkonstante ($\epsilon_0$) können Sie Dipolmoment ($\vec{P}$) berechnen mit:
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$\vec{P} = \epsilon_0 \cdot \chi_e \cdot \vec{E}$
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Die elektrische Suszeptibilität misst, wie leicht das Material polarisiert werden kann. Ein großer Wert zeigt an, dass die internen Dipole stark auf das externe Feld reagieren, während ein kleiner Wert eine schwächere polarisierbare Reaktion widerspiegelt.
Die Vakuumpermittivität stellt die grundlegende Fähigkeit des leeren Raums dar, die Existenz eines elektrischen Feldes und die Speicherung der damit verbundenen elektrischen Energie zu ermöglichen. Es fungiert als Grundkonstante, die das natürliche Ausmaß der elektrischen Wechselwirkungen im Elektromagnetismus festlegt.
ID:(11764, 'gm')
Elektrische Verschiebung
Beschreibung
Das Konzept der elektrischen Verschiebung entsteht, wenn untersucht wird, wie ein dielektrisches Material reagiert, wenn es einem externen elektrischen Feld ausgesetzt wird. Im Vakuum wird das elektrische Feld nur durch die vorhandenen freien Ladungen bestimmt. Innerhalb eines Isoliermaterials kommt es jedoch aufgrund der Polarisierung des Mediums auch zu einer inneren Neuordnung gebundener Ladungen.
Dies bedeutet, dass das gesamte elektrische Feld innerhalb des Materials nicht mehr nur von den von außen angelegten Ladungen, sondern auch von den im Dielektrikum induzierten Dipolen herrührt. Infolgedessen kann die direkte Trennung der Effekte freier Ladungen und interner Polarisation komplex werden.
Der Elektrische Verschiebung ($\vec{D}$) wird genau eingeführt, um einfacher zu beschreiben, wie freie Ladungen in Gegenwart polarisierbarer Materialien elektrische Felder erzeugen. Anstatt nur mit dem gesamten elektrischen Feld zu arbeiten, wird eine neue Größe definiert, die automatisch den Beitrag der Polarisation des Mediums berücksichtigt.
Die Größe wird durch definiert
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$\vec{D} = \epsilon_0 \cdot \vec{E} + \vec{P}$
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mit Elektrische Feldkonstante ($\epsilon_0$), Elektrisches Feld ($\vec{E}$) und Dipolmoment ($\vec{P}$).
Die elektrische Verschiebung kann physikalisch als Maß dafür interpretiert werden, wie viel effektiver elektrischer Fluss aufgrund freier Ladungen durch das Medium fließt, wobei automatisch berücksichtigt wird, wie das Material das Feld durch Polarisation intern verändert.
ID:(16030, 'gm')
Verschiebung und elektrisches Feld
Beschreibung
Wie Dipolmoment ($\vec{P}$) im statischen Fall von Elektrisches Feld ($\vec{E}$) innerhalb der Berechnung von Elektrische Verschiebung ($\vec{D}$) abhängt
mit Elektrische Feldkonstante ($\epsilon_0$) und Elektrische Anfälligkeit ($\chi_e$), sodass Sie die Konstante Relative Permittivität des Materials ($\epsilon_r$) so eingeben können
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$\vec{D} = \epsilon_r \cdot \vec{E}$
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ID:(16294, 'gm')
Relative Permittivität des Materials
Beschreibung
Da Elektrische Verschiebung ($\vec{D}$) unter Berücksichtigung von Elektrisches Feld ($\vec{E}$), Dipolmoment ($\vec{P}$) und Elektrische Feldkonstante ($\epsilon_0$) ausgedrückt werden kann:
und dass Dipolmoment ($\vec{P}$), abhängig von Elektrische Anfälligkeit ($\chi_e$), Folgendes ergibt:
wird für Relative Permittivität des Materials ($\epsilon_r$) ermittelt, unter Verwendung von:
die Beziehung:
ID:(16295, 'gm')
Leiter und Isolatoren
Beschreibung
Berechnungen
zu 
,
dann die Variable auswählen: 
zu 
Berechnungen
Variable
Gegeben
Berechnen
Ziel :
Gleichung
Zu verwenden
Variablen
ID:(1572, 0)
Palos Verdes, Costa de Corral, Chile