Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε - безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов . Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.
Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат . Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля. Это следует всегда учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют и оптические методы получения относительной диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи эллипсометров и рефрактометров. Полученное оптическим методом (частота 10 14 Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.
Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях приблизительно равна 80. Это имеет место вплоть до инфракрасных частот. Начиная примерно с 2 ГГц ε r начинает падать. В оптическом диапазоне ε r составляет приблизительно 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются.
| Вещество | Химическая формула | Условия измерения | Характерное значение ε r |
|---|---|---|---|
| Алюминий | Al | 1 кГц | -1300 + 1,3Шаблон:Ei |
| Серебро | Ag | 1 кГц | -85 + 8Шаблон:Ei |
| Вакуум | - | - | 1 |
| Воздух | - | Нормальные условия , 0,9 МГц | 1,00058986 ± 0,00000050 |
| Углекислый газ | CO 2 | Нормальные условия | 1,0009 |
| Тефлон | - | - | 2,1 |
| Нейлон | - | - | 3,2 |
| Полиэтилен | [-СН 2 -СН 2 -] n | - | 2,25 |
| Полистирол | [-СН 2 -С(С 6 Н 5)Н-] n | - | 2,4-2,7 |
| Каучук | - | - | 2,4 |
| Битум | - | - | 2,5-3,0 |
| Сероуглерод | CS 2 | - | 2,6 |
| Парафин | С 18 Н 38 − С 35 Н 72 | - | 2,0-3,0 |
| Бумага | - | - | 2,0-3,5 |
| Электроактивные полимеры | − | − | 2-12 |
| Эбонит | (C 6 H 9 S) 2 | − | 2,5-3,0 |
| Плексиглас (оргстекло) | - | - | 3,5 |
| Кварц | SiO 2 | - | 3,5-4,5 |
| Диоксид кремния | SiO 2 | − | 3,9 |
| Бакелит | - | - | 4,5 |
| Бетон | − | − | 4,5 |
| Фарфор | − | − | 4,5-4,7 |
| Стекло | − | − | 4,7 (3,7-10) |
| Стеклотекстолит FR-4 | - | - | 4,5-5,2 |
| Гетинакс | - | - | 5-6 |
Диэлектри́ческая проница́емость среды - физическая величина , характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимость электрической индукции от напряжённости электрического поля .
Определяется эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).
Различают относительную и абсолютную диэлектрические проницаемости.
Относительная диэлектрическая проницаемость ε является безразмерной и показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме . Эта величина для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом . Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость в зарубежной литературе обозначается буквой , в отечественной преимущественно используется сочетание ε ε 0 {\displaystyle ~{\varepsilon }{\varepsilon }_{0}} , где - электрическая постоянная . Абсолютная диэлектрическая проницаемость используется только в Международной системе единиц (СИ) , в которой индукция и напряжённость электрического поля измеряются в различных единицах. В системе СГС необходимость в введении абсолютной диэлектрической проницаемости отсутствует. Абсолютная диэлектрическая постоянная (как и электрическая постоянная) имеет размерность L −3 M −1 T 4 I². В единицах Международной системы единиц (СИ) : [ ε 0 {\displaystyle ~{\varepsilon }_{0}} ]= / .
1 / 5
Вообще говоря, диэлектрическая проницаемость является тензором , определяемым из следующих соотношений (в записи использовано соглашение Эйнштейна):
D i = ε 0 ε i j E j {\displaystyle ~D_{i}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{ij}E_{j}} D = ε a E {\displaystyle ~\mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}_{a}\mathbf {E} } E = E 1 e 1 + E 2 e 2 + E 3 e 3 {\displaystyle ~\mathbf {E} =E_{1}\mathbf {e} _{1}+E_{2}\mathbf {e} _{2}+E_{3}\mathbf {e} _{3}} - вектор напряжённости электрического поля, D = D 1 e 1 + D 2 e 2 + D 3 e 3 {\displaystyle ~\mathbf {D} =D_{1}\mathbf {e} _{1}+D_{2}\mathbf {e} _{2}+D_{3}\mathbf {e} _{3}} - вектор электрической индукции, ε a = ε 0 ((ε a) i j) {\displaystyle ~{\boldsymbol {\varepsilon }}_{a}=\varepsilon _{0}((\varepsilon _{a})_{ij})} - тензор абсолютной диэлектрической проницаемости.E = E 0 e i ω t ⇒ ∂ E ∂ t = i ω E {\displaystyle ~\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}e^{i\omega t}\ \Rightarrow \ {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}=i\omega \mathbf {E} }
Относительная диэлектрическая проницаемость вещества ε r может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (C x) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (C o):
ε r = C x C 0 . {\displaystyle \varepsilon _{r}={\frac {C_{x}}{C_{0}}}.}Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов . Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.
Ёмкость конденсаторов определяется:
C = ε r ε 0 S d , {\displaystyle C=\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}{\frac {S}{d}},}где ε r - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε о - электрическая постоянная , S - площадь обкладок конденсатора, d - расстояние между обкладками.
Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат . Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.
Диэлектрическая проницаемость диэлектри́ческая проница́емость
величина ε, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В изотропной среде ε связана с диэлектрической восприимчивостью χ соотношением: ε = 1 + 4π χ. Диэлектрическая проницаемость анизотропной среды - тензор. Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты поля; в сильных электрических полях Диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от напряжённости поля.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРОНИЦА́ЕМОСТЬ, безразмерная величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия F o в вакууме:
e =F о /F.
Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком (см.
ДИЭЛЕКТРИКИ)
, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами поляризации (см.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ)
. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняется плотность вещества, его вязкость и изотропность (см.
ИЗОТРОПИЯ)
.
Диэлектрическая проницаемость газов
Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Поляризация газа может быть чисто электронной или дипольной, если молекулы газа полярны, однако и в этом случае основное значение имеет электронная поляризация. Поляризация различных газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа, и численно близка к квадрату коэффициента преломления для этого газа.
Зависимость газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.
У воздуха в нормальных условиях e =1,0006, а ее температурный коэффициент имеет значение около 2 . 10 -6 К -1 .
Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков
Жидкие диэлектрики могут состоять из неполярных или полярных молекул. Значение e неполярных жидкостей определяется электронной поляризацией, поэтому оно невелико, близко к значению квадрата преломления света и обычно не превышает 2,5. Зависимость e неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, т. е. с уменьшением плотности, а ее температурный коэффициент близок к температурному коэффициенту объемного расширения жидкости, но отличается знаком.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей (см.
ДИПОЛЬ)
и чем больше число молекул в единице объема. Температурная зависимость в случае полярных жидкостей носит сложный характер.
Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
В твердых телах может принимать самые разные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.
Наименьшее значение e имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией .
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют значения e, лежащие в широких пределах (e каменной соли - 6; e корунда - 10; e рутила - 110; e титаната кальция - 150).
e различных неорганических стекол, приближающихся по строению к аморфным диэлектрикам, лежит в сравнительно узких пределах от 4 до 20.
Полярные органические диэлектрики обладают в твердом состоянии дипольно-релаксационной поляризацией. e этих материалов в большой степени зависит от температуры и частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, что и у дипольных жидкостей.
Относительная диэлектрическая проницаемость
Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε - безразмерная физическая величина , характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме . Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.
Относительная диэлектрическая проницаемость вещества ε r может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (C x) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (C o):
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов . Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.
Ёмкость конденсаторов определяется:
где ε r - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε о - электрическая постоянная , S - площадь обкладок конденсатора, d - расстояние между обкладками.
Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат . Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля. Это следует всегда учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют и оптические методы получения относительной диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи эллипсометров и рефрактометров. Полученное оптическим методом (частота 10 14 Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.
Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях приблизительно равна 80. Это имеет место вплоть до инфракрасных частот. Начиная примерно с 2 ГГц ε r начинает падать. В оптическом диапазоне ε r составляет приблизительно 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются. О поведении относительной диэлектрической проницаемости воды в диапазоне частот от 0 до 10 12 (инфракрасная область) можно прочитать на (англ.)
| Вещество | Химическая формула | Условия измерения | Характерное значение ε r |
|---|---|---|---|
| Алюминий | Al | 1 кГц | -1300 + 1,3·10 14 i |
| Серебро | Ag | 1 кГц | -85 + 8·10 12 i |
| Вакуум | - | - | 1 |
| Воздух | - | Нормальные условия , 0,9 МГц | 1,00058986 ± 0,00000050 |
| Углекислый газ | CO 2 | Нормальные условия | 1,0009 |
| Тефлон | - | - | 2,1 |
| Нейлон | - | - | 3,2 |
| Полиэтилен | [-СН 2 -СН 2 -] n | - | 2,25 |
| Полистирол | [-СН 2 -С(С 6 Н 5)Н-] n | - | 2,4-2,7 |
| Каучук | - | - | 2,4 |
| Битум | - | - | 2,5-3,0 |
| Сероуглерод | CS 2 | - | 2,6 |
| Парафин | С 18 Н 38 − С 35 Н 72 | - | 2,0-3,0 |
| Бумага | - | - | 2,0-3,5 |
| Электроактивные полимеры | − | − | 2-12 |
