Definition
Die Dielektrizitätskonstante (auch: relative Permittivität, Symbol: εr) ist eine dimensionslose Materialkonstante, die das Verhältnis der Permittivität eines Stoffes zur Permittivität des Vakuums angibt. Sie beschreibt, wie stark ein Material ein elektrisches Feld abschwächt.
Kernaussage: Kunststoffe haben typischerweise niedrige Dielektrizitätskonstanten (εr = 2-4), was sie zu hervorragenden Isolatoren macht. Polare Polymere wie PA oder PVC weisen höhere Werte auf.
Normen und Standards
| Norm | Anwendungsbereich |
|---|---|
| DIN EN 60250 | Bestimmung von Permittivität und dielektrischem Verlustfaktor |
| DIN EN IEC 62631-2 | Dielektrische und Widerstandseigenschaften fester Isolierstoffe |
| ASTM D150 | AC Loss Characteristics und Permittivität |
| IEC 60250 | Internationale Norm für Isolierstoffe |
Physikalische Grundlagen
Definition: εr = ε / ε₀
Kapazität eines Kondensators: C = εr × ε₀ × A / d
ε₀ (Vakuumpermittivität): 8,854 × 10⁻¹² F/m
Kapazität eines Kondensators: C = εr × ε₀ × A / d
ε₀ (Vakuumpermittivität): 8,854 × 10⁻¹² F/m
Polarisationsmechanismen
- Elektronenpolarisation: Verschiebung der Elektronenhülle, schnell (UV-Bereich)
- Ionenpolarisation: Verschiebung von Ionen, IR-Bereich
- Orientierungspolarisation: Ausrichtung permanenter Dipole, frequenzabhängig
- Grenzflächenpolarisation: Bei heterogenen Materialien, niedrige Frequenzen
Typische Werte für Kunststoffe
| Werkstoff | εr bei 1 MHz | Polarität |
|---|---|---|
| PE | 2,2-2,4 | Unpolar |
| PP | 2,2-2,3 | Unpolar |
| PTFE | 2,0-2,1 | Unpolar |
| PS | 2,4-2,6 | Schwach polar |
| PMMA | 2,8-3,4 | Polar |
| PVC | 3,0-4,0 | Polar |
| PA 6 | 3,5-4,5 | Stark polar |
| PC | 2,8-3,2 | Polar |
| PET | 3,0-3,5 | Polar |
Prüfverfahren
Kapazitätsmethode
- Prinzip: Messung der Kapazität eines Plattenkondensators mit und ohne Probe
- Berechnung: εr = Cprobe / Cluft
- Frequenzbereich: 50 Hz bis 1 MHz
Resonanzmethode
- Prinzip: Verschiebung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises
- Anwendung: Hohe Frequenzen (MHz bis GHz)
Einflussfaktoren
- Frequenz: εr sinkt mit steigender Frequenz (Dispersion)
- Temperatur: Anstieg nahe der Glasübergangstemperatur
- Feuchtigkeit: Wasseraufnahme erhöht εr stark (εr,Wasser ≈ 80)
- Füllstoffe: Können εr erhöhen oder erniedrigen
Anwendungsbereiche
- Kabelisolierung: Niedrige εr für geringe Verluste
- Kondensatorfolien: Definierte εr für Kapazitätsberechnung
- Hochfrequenztechnik: Radar, 5G, Antennen
- Leiterplatten: FR4, PTFE-Substrate