Polarisierbarkeit

Die Polarisierbarkeit ein Maß dafür, wie leicht ein Material ein Dipolmoment als Reaktion auf externe elektrische oder magnetische Felder entwickeln kann. Sie spielt eine wichtige Rolle in der Festkörperphysik, Optik und in vielen Bereichen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.

Elektrische Polarisierbarkeit

Wenn ein Material einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, erfahren die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Atomkerne entgegengesetzte Kräfte und durchlaufen eine Ladungstrennung. Dies führt zur Bildung eines induzierten Dipolmoments. Die elektrische Polarisierbarkeit ist definiert als das Verhältnis des induzierten Dipolmoments zum lokalen elektrischen Feld. Sie ist für die dielektrische Konstante eines Materials verantwortlich und beeinflusst bei hohen Frequenzen (optischen Frequenzen) dessen Brechungsindex.

Die elektrische Polarisierbarkeit beschreibt diese Fähigkeit eines Materials, sich in einem elektrischen Feld zu polarisieren. Dies bedeutet, dass die positiven und negativen Ladungen im Material aufgrund der Einwirkung des Feldes eine Verschiebung erfahren. Die elektrische Polarisierbarkeit wird oft mit dem Buchstaben $\alpha$ dargestellt und in der Einheit Farad pro Meter (F/m) gemessen. Im einfachsten Fall ergibt sich dir Beziehung zwischen dem induzierten Dipolmoment ${\vec {p}}_{\text{ind}}$ und der elektrischen Feldstärke ${\vec {E}}_{\text{lokal}}$ am Ort des Atoms oder Moleküls wie folgt:

${\vec {p}}_{\text{ind}}=\alpha \,{\vec {E}}_{\text{lokal}}$

$\alpha$ ist in diesem Fall eine skalare Größe. In anisotropen oder nicht kugelförmigen Medien kann die Polarisierbarkeit im Allgemeinen nicht als Skalar dargestellt werden. Um anisotrope Medien zu beschreiben, wird ein Polarisationstensor zweiter Ordnung bzw. eine 3x3-Matrix definiert. Diese Matrix gibt an, wie das Material auf ein in einer bestimmten Richtung angelegtes elektrisches Feld reagiert. Große Werte in dieser Matrix bedeuten, dass ein in einer Richtung angelegtes elektrisches Feld das Material stark in einer anderen Richtung polarisieren würde.

Die Polarisierbarkeit eines Materials steht in direktem Zusammenhang mit dessen optischen Eigenschaften. In Kristallstrukturen werden die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen durch den Vergleich eines lokalen Feldes mit dem makroskopischen Feld berücksichtigt. Die Polarisierbarkeit erhöht sich allgemein, wenn das Volumen, das von Elektronen eingenommen wird, größer wird. Bei Atomen tritt dies auf, weil größere Atome lockerer gebundene Elektronen haben, im Gegensatz zu kleineren Atomen mit fest gebundenen Elektronen. Auf Reihen des Periodensystems nimmt die Polarisierbarkeit daher von links nach rechts ab und erhöht sich auf den Spalten des Periodensystems.

Die elektrische Polarisierbarkeit ist eine wichtige Größe in der Dielektrikaforschung. Dielektrika sind Materialien, die nicht leitfähig sind und daher keinen elektrischen Strom leiten. Sie werden jedoch in elektrischen Geräten wie Kondensatoren und Transformatoren verwendet, um elektrische Felder zu speichern und zu modulieren. Die Fähigkeit eines Dielektrikums zur Polarisierung, die durch seine elektrische Polarisierbarkeit bestimmt wird, beeinflusst seine Effizienz in diesen Anwendungen erheblich.

Ein bekanntes Beispiel für dielektrische Polarisierbarkeit ist das Dielektrikum in einem Kondensator. Wenn eine Spannung an den Kondensator angelegt wird, verschieben sich die Ladungen im Dielektrikum, und es entsteht ein elektrisches Feld im Material. Dieses Feld speichert die Energie und ermöglicht die elektrische Isolierung zwischen den Kondensatorplatten.

Magnetische Polarisierbarkeit

Die magnetische Polarisierbarkeit, meist mit dem griechischen Buchstaben "χ" gekennzeichnet, beschreibt die Fähigkeit eines Materials, sich in einem magnetischen Feld zu polarisieren. Anders als bei der elektrischen Polarisierbarkeit betrifft die magnetische Polarisierbarkeit die Ausrichtung von magnetischen Momenten in einem Material.

In ferromagnetischen Materialien, wie Eisen oder Nickel, können die magnetischen Momente der Atome in einem gemeinsamen Ausrichtungszustand liegen, was zur Ausbildung einer makroskopischen Magnetisierung führt. Die magnetische Polarisierbarkeit beeinflusst, wie leicht diese Ausrichtung erreicht werden kann und wie stark das Material magnetisiert werden kann.

Die magnetische Polarisierbarkeit spielt eine entscheidende Rolle in Anwendungen wie der Magnetresonanztomographie (MRT), bei der starke Magnetfelder erzeugt werden, um Bilder des menschlichen Körpers zu erstellen. Die Fähigkeit eines Materials, sich in einem solchen Magnetfeld zu polarisieren, beeinflusst die Qualität der MRT-Bilder und die Geschwindigkeit, mit der sie aufgenommen werden können.

Literatur

• Kittel, C. (2004). Introduction to Solid State Physics. Wiley.
• Ashcroft, N. W., & Mermin, N. D. (1976). Solid State Physics. Holt, Rinehart and Winston.
• Jackson, J. D. (1998). Classical Electrodynamics. Wiley.