Dielektrische Spektroskopie

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Beispielhaftes Spektrum der dielektrischen Leitfähigkeit über ein breites Frequenzspektrum. Der Realteil (rot) und Imaginärteil (blau) der Permittivität über die Frequenz, sowie verschiedene bandspezifische chemisch-physikalische Prozesse.

Die dielektrische Spektroskopie ist ein Verfahren der Impedanzspektroskopie, das dielektrische Eigenschaften eines Mediums erfasst. Wie bei allen impedanzspektroskopischen Verfahren wird dabei die Impedanz, d.h. der Wechselstromwiderstand, als Funktion der Frequenz bestimmt.[1][2][3][4] Die dielektrische Spektroskopie basiert auf dem Zusammenspiel eines externen elektrischen Feldes mit dem Dipolmoment des untersuchten Mediums, welches durch die Dielektrizitätskonstante des Mediums angegeben wird.

Dielektrische Mechanismen[Bearbeiten]

Es gibt verschiedene dielektrische Mechanismen, die nach der Art, in welcher das untersuchte Medium auf das angelegte Feld reagiert, unterschieden werden. Jeder dieser Mechanismen ist mit einer charakteristischen Frequenz verbunden, welche den Kehrwert der charakteristischen Zeit des Prozesses darstellt. Bei hohen Frequenzen startend, sind die wichtigsten Mechanismen die folgenden:

Elektronische Polarisation[Bearbeiten]

Abbildung 2: Elektronische Verschiebungspolarisation in Abwesenheit eines Feldes.
Abbildung 3: Elektronische Verschiebungspolarisation in Anwesenheit eines Feldes.

Hauptartikel: Verschiebungspolarisation

Auch als elektronische Verschiebungspolarisation bezeichnet. Diese Reaktion findet bei neutralen Atomen statt, wenn das angelegte elektrische Feld die Elektronendichte um den Atomkern verändert. Abbildung 2 zeigt schematisch einen Atomkern samt Elektronenhülle in Abwesenheit eines Feldes. In Abbildung 3 ist der Zustand zu sehen, bei dem ein Gleichgewicht zwischen den Kernbindungskräften und denen des elektrischen Feldes herrscht.

Atomare Polarisation[Bearbeiten]

Atomare Polarisation findet statt, wenn die Elektronenwolken unter Einwirkung der Kräfte des angelegten elektrischen Feldes deformiert werden, sodass positive und negative Ladungszonen entstehen. Dabei handelt es sich um einen Resonanzprozess.

Orientierungspolarisation[Bearbeiten]

Abbildung 4: Orientierungspolarisation eines Mediums in Abwesenheit eines elektrischen Feldes
Abbildung 5: Orientierungspolarisation eines Mediums in Anwesenheit eines elektrischen Feldes

Hauptartikel: Orientierungspolarisation

Dieser Effekt hat seinen Ursprung in permanenten und induzierten Dipolen, welche im elektrischen Feld ausgerichtet werden. Ihre Orientierungspolarisation wird durch thermisches Rauschen, welches nicht am elektrischen Feld ausgerichtet ist, gestört. Die Zeit, die die Dipole zur Entspannung benötigen, wird durch die örtliche Viskosität des Mediums bestimmt. Diese beiden Eigenschaften machen die Dipol-Entspannung in hohem Maße von der Temperatur und den chemischen Eigenschaften des Mediums abhängig. Abbildung 4 zeigt Dipole in Abwesenheit eines elektrischen Feldes. In Abbildung 5 sind ausgerichtete Dipole in Anwesenheit eines elektrischen Feldes abgebildet.

Ionische Verschiebungspolarisation[Bearbeiten]

Abbildung 6: Ionische Verschiebungspolarisation in Abwesenheit eines elektrischen Feldes
Abbildung 7: Ionische Verschiebungspolarisation in Anwesenheit eines elektrischen Feldes

Die ionische Verschiebungspolarisation beinhaltet die Ionenleitfähigkeit und Grenzflächen- sowie Raumladungspolarisation. Die Ionenleitfähigkeit dominiert bei niedrigen Frequenzen und ist auf Systemverluste zurückzuführen. Grenzflächenpolarisation tritt auf, wenn Ladungsträger auf Grenzflächen in heterogenen Systemen treffen. Abbildung 6 zeigt ein Ionengitter in Abwesenheit eines elektrischen Feldes. Abbildung 7 stellt die ionische Verschiebungspolarisation in Anwesenheit eines elektrischen Feldes dar.

Dielektrische Relaxation[Bearbeiten]

Die dielektrische Relaxation als Ganzes ist das Ergebnis der Bewegung der Dipole (Dipol-Relaxation) und der Ladungsträger (ionische Relaxation) hervorgerufen durch ein angelegtes alternierendes Feld. Sie wird für gewöhnlich in Frequenzbereichen von 100 Hz bis 10 GHz beobachtet. Relaxationsmechanismen sind im Vergleich zu resonanzelektronischen Übergängen oder Molekülbewegungen, welche üblicherweise in Frequenzen über 1 THz auftreten, relativ langsam.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten]

In vielen Bereichen, in denen die Untersuchung und Beurteilung von Material- oder Systemeigenschaften eine Rolle spielt, ist auch die dielektrische Spektroskopie von Bedeutung. Anwendungsgebiete können neben der Elektrotechnik und Materialphysik z.B. biologische und biomedizinische Systeme oder die Geophysik (Spektrale Induzierte Polarisation, SIP) sein.

Elektrotechnik[Bearbeiten]

Von technischer Relevanz ist die dielektrische Spektroskopie insbesondere bei der Beurteilung von Isolationsmaterialien. Diese können beispielsweise Kabelisolationen in der Hochfrequenz- oder Hochspannungstechnik, oder auch die Öl-Papier-Isolation in Transformatoren oder anderen Hochspannungsbetriebsmitteln sein.

Messung der dielektrischen Antwort[Bearbeiten]

Abbildung 8: Prinzipieller Messaufbau bei der dielektrischen Spektroskopie

Bei der dielektrischen Spektroskopie kann die dielektrische Antwort eines Systems im Frequenzbereich durch Verwendung zweier verschiedener Methoden ermittelt werden. Eine Kombination dieser im Folgenden beschriebenen Methoden ist möglich. Dies kann sinnvoll sein, um Vor- bzw. Nachteile der jeweiligen Methoden aufzuwiegen.

Frequenzbereichsspektroskopie (FDS)[Bearbeiten]

Bei der Frequenzbereichsspektroskopie (englisch frequency domain spectroscopy, FDS) wird das zu untersuchende System einem Wechselfeld ausgesetzt. Die Systemantwort wird direkt im Frequenzbereich erfasst. Diese Methode eignet sich insbesondere bei hohen Frequenzen.

Polarisations- und Depolarisationsstrommessung (PDC)[Bearbeiten]

Bei der Polarisations- und Depolarisationsstrommessung (englisch Polarization Depolarization Current, PDC) wird das zu untersuchende System einem konstanten Feld ausgesetzt. Die Systemantwort wird aus den gemessenen Polarisationsströmen ermittelt. Diese werden dazu in den Frequenzbereich transformiert. Insbesondere bei niedrigen Frequenzen ist diese Methode von Vorteil.

Prinzipieller Messaufbau[Bearbeiten]

Für beide Methoden wird derselbe prinzipielle Messaufbau verwendet. Hierbei wird in einem Dielektrikum durch eine Spannungsquelle ein Feld erzeugt. Mit einem Amperemeter wird der durch dieses Medium fließende Strom gemessen. Eine Guard-Elektrode dient dazu, Oberflächenströme an der Messung vorbeizuleiten, so dass nur der Volumenstrom gemessen wird. Diese Anordnung ist in Abbildung 8 dargestellt. Das Untersuchungsobjekt (Dielektrikum) ist anwendungsabhängig.

Darstellung, Auswertung und Interpretation der Messergebnisse[Bearbeiten]

Die Grundlagen der Darstellung (mittels Cole-Cole-Diagramm, Nyquist-Diagramm oder Bode-Diagramm), Auswertung und Interpretation der Messergebnisse sind dieselben wie bei anderen impedanzspektroskopischen Verfahren und werden hier beschrieben.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Siegmund Brandt, Hans D. Dahmen: Elektrodynamik: Eine Einführung in Experiment und Theorie. 3. Auflage. Springer, 1997, ISBN 3-540-61911-9.
  •  Dietmar Ende, Klaus-Michael Mangold: Impedanzspektroskopie. In: Chemie in unserer Zeit. 27, 1993, S. 134–140, doi:10.1002/ciuz.19930270305.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. F. Kremer, A. Schonhals, W. Luck: Broadband Dielectric Spectroscopy. Springer, 2002, ISBN 3540434070.
  2. A. M. Sidorovich: Dielectric Spectrum of Water. In: Ukrainian Physical Journal. 29, Nr. 8, 1984, S. 1175–1181 (Russisch).
  3. A. R. Hippel: Dielectrics and Waves. John Willey & Sons, New York 1954.
  4. A. A. Volkov, A. S. Prokhorov: Broadband Dielectric Spectroscopy of Solids. In: Radiophysics and Quantum Electronics.46, Nr. 8, 2003, S. 657–665.