✖


Jump to content

Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость некоторых материалов при комнатной температуре ниже 1 кГц
Материал ε р
Вакуум 1 (по определению)
Воздух 1.000 589 86 ± 0.000 000 50
(при STP , 900 кГц), [1]
ПТФЭ /Тефлон 2.1
Полиэтилен /XLPE 2.25
Полиимид 3.4
Полипропилен 2.2–2.36
Полистирол 2.4–2.7
Сероуглерод 2.6
БоПЭТ 3.1 [2]
Бумага , печать 1.4 [3] (200   кГц)
Электроактивные полимеры 2–12
Слюда 3–6 [2]
Диоксид кремния 3.9 [4]
Сапфир 8,9–11,1 (анизотропный) [5]
Конкретный 4.5
Пирекс ( стекло ) 4.7 (3.7–10)
Неопрен 6.7 [2]
Натуральный каучук 7
Алмаз 5.5–10
Соль 3–15
Меламиновая смола 7.2–8.4 [6]
Графит 10–15
Силиконовая резина 2.9–4 [7]
Кремний 11.68
GaAs 12.4 [8]
Нитрид кремния 7–8 (поликристаллический, 1 МГц) [9] [10]
Аммиак 26, 22, 20, 17 (-80, -40, 0, +20 °С)
Метанол 30
Этиленгликоль 37
Фурфурал 42.0
Глицерин 41,2, 47, 42,5 (0, 20, 25 °С)
Вода 87.9, 80.2, 55.5
(0, 20, 100 °С) [11]
для видимого света: 1,77
плавиковая кислота 175, 134, 111, 83.6
(-73, -42, -27, 0 °С),
Гидразин 52,0 (20 °С),
формамид 84,0 (20 °С)
Серная кислота 84–100 (20–25 °С)
Перекись водорода 128 водный –60
(−30–25 °С)
Синильная кислота 158,0–2,3 (0–21 °С)
Диоксид титана 86–173
Титанат стронция 310
Титанат бария-стронция 500
Титанат бария [12] 1200–10 000 (20–120 °С)
Цирконат-титанат свинца 500–6000
Сопряженные полимеры 1,8–6 до 100 000 [13]
Титанат меди и кальция >250 000 [14]
Температурная зависимость относительной статической диэлектрической проницаемости воды

Относительная диэлектрическая проницаемость (в старых текстах — диэлектрическая проницаемость ) — это диэлектрическая проницаемость материала, выраженная как отношение к электрической проницаемости вакуума . Диэлектрик — это изоляционный материал, а диэлектрическая проницаемость изолятора измеряет способность изолятора сохранять электрическую энергию в электрическом поле.

Диэлектрическая проницаемость — это свойство материала, которое влияет на силу Кулона между двумя точечными зарядами в материале. Относительная диэлектрическая проницаемость — это фактор, на который электрическое поле между зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом.

Аналогичным образом, относительная диэлектрическая проницаемость — это отношение емкости конденсатора , использующего этот материал в качестве диэлектрика , по сравнению с аналогичным конденсатором, в котором в качестве диэлектрика используется вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость также широко известна как диэлектрическая проницаемость - термин, который до сих пор используется, но не рекомендуется организациями по стандартизации в инженерной сфере. [15] так и по химии. [16]

Определение [ править ]

Относительная диэлектрическая проницаемость обычно обозначается как ε r ( ω ) (иногда κ , строчная каппа ) и определяется как

где ε ( ω ) — комплексная частотно-зависимая диэлектрическая проницаемость материала, а ε0 диэлектрическая — проницаемость вакуума .

Относительная диэлектрическая проницаемость — это безразмерное число, которое, как правило, имеет комплексное значение ; его действительная и мнимая части обозначаются как: [17]

Относительная диэлектрическая проницаемость среды связана с ее электрической восприимчивостью ε χ e следующим образом: r ( ω ) = 1 + χ e .

В анизотропных средах (таких как некубические кристаллы) относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой тензор второго ранга .

Относительная диэлектрическая проницаемость материала для нулевой частоты известна как его статическая относительная диэлектрическая проницаемость .

Терминология [ править ]

Исторический термин для относительной диэлектрической проницаемости — диэлектрическая проницаемость . Он до сих пор широко используется, но признан устаревшим организациями по стандартизации. [15] [16] из-за его неоднозначности, поскольку в некоторых более старых отчетах он использовался для обозначения абсолютной диэлектрической проницаемости ε . [15] [18] [19] Диэлектрическая проницаемость может быть указана либо как статическое свойство, либо как вариант, зависящий от частоты, и в этом случае она также известна как диэлектрическая функция . Он также использовался для обозначения только действительного компонента ε ′ r комплексной относительной диэлектрической проницаемости. [ нужна ссылка ]

Физика [ править ]

В причинной теории волн диэлектрическая проницаемость является комплексной величиной. Мнимая часть соответствует фазовому сдвигу поляризации P относительно E и приводит к затуханию электромагнитных волн, проходящих через среду. По определению линейная относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, [19] то есть ε = ε 0 , хотя в вакууме существуют теоретические нелинейные квантовые эффекты , которыми можно пренебречь при высоких напряженностях поля. [20]

В следующей таблице приведены некоторые типичные значения.

Низкочастотная относительная диэлектрическая проницаемость некоторых распространенных растворителей
Растворитель Относительная диэлектрическая проницаемость Температура
C6HC6H6 бензол 2.3 298 К (25 °С)
Эт 2 О диэтиловый эфир 4.3 293 К (20 °С)
(СН 2 ) 4 О тетрагидрофуран (ТГФ) 7.6 298 К (25 °С)
СН 2 Cl 2 дихлорметан 9.1 293 К (20 °С)
NH 3 ( жидкий ) жидкий аммиак 17 273 К (0 °С)
С 2 Н 5 ОН этанол 24.3 298 К (25 °С)
СН 3 ОН метанол 32.7 298 К (25 °С)
CH3NOCH3NO2 нитрометан 35.9 303 К (30 °С)
HCONMe 2 диметилформамид (ДМФ) 36.7 298 К (25 °С)
СН 3 CN ацетонитрил 37.5 293 К (20 °С)
Н 2 О вода 78.4 298 К (25 °С)
ХКОНГ 2 формамид 109 293 К (20 °С)

Относительная низкочастотная диэлектрическая проницаемость льда составляет ~ 96 при -10,8 ° C и падает до 3,15 при высокой частоте, что не зависит от температуры. [21] Он остается в диапазоне 3,12–3,19 для частот примерно от 1 МГц до дальней инфракрасной области. [22]

Измерение [ править ]

Относительная статическая диэлектрическая проницаемость ε r может быть измерена для статических электрических полей следующим образом: сначала вакууме между его обкладками измеряется емкость испытательного конденсатора C . 0 в емкость С с диэлектриком Затем, используя тот же конденсатор и расстояние между его обкладками, измеряют между обкладками. Тогда относительная диэлектрическая проницаемость может быть рассчитана как

Для переменных во времени электромагнитных полей эта величина становится частотно -зависимой. Косвенным методом расчета ε r является преобразование результатов измерения радиочастотных S-параметров . Описание часто используемых преобразований S-параметров для определения частотно-зависимой ε r диэлектриков можно найти в этом библиографическом источнике. [23] Альтернативно, на фиксированных частотах могут использоваться эффекты, основанные на резонансе. [24]

Приложения [ править ]

Энергия [ править ]

Относительная диэлектрическая проницаемость является важной информацией при проектировании конденсаторов и в других обстоятельствах, когда можно ожидать, что материал введет емкость в цепь. Если материал с высокой относительной диэлектрической проницаемостью поместить в электрическое поле , величина этого поля будет заметно уменьшена в объеме диэлектрика. Этот факт обычно используется для увеличения емкости конденсатора конкретной конструкции. Слои под травлеными проводниками на печатных платах ( PCB ) также действуют как диэлектрики.

Общение [ править ]

Диэлектрики используются в линиях передачи радиочастот (РЧ). В коаксиальном кабеле полиэтилен между центральным проводником и внешним экраном можно использовать . Его также можно поместить внутри волноводов для формирования фильтров . Оптические волокна являются примерами диэлектрических волноводов . Они состоят из диэлектрических материалов, которые специально легированы примесями, чтобы контролировать точное значение ε r в поперечном сечении. Это контролирует показатель преломления материала и, следовательно, также оптические режимы передачи. Однако в этих случаях технически имеет значение относительная диэлектрическая проницаемость, поскольку они не работают в электростатическом пределе.

Окружающая среда [ править ]

Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха меняется в зависимости от температуры, влажности и барометрического давления. [25] Можно сконструировать датчики для обнаружения изменений емкости, вызванных изменениями относительной диэлектрической проницаемости. Большая часть этих изменений связана с воздействием температуры и влажности, поскольку атмосферное давление довольно стабильно. Используя изменение емкости, а также измеренную температуру, можно получить относительную влажность с помощью инженерных формул.

Химия [ править ]

Относительная статическая диэлектрическая проницаемость растворителя является относительной мерой его химической полярности . Например, вода очень полярна и имеет относительную статическую диэлектрическую проницаемость 80,10 при 20 °C, тогда как н - гексан неполярен и имеет относительную статическую диэлектрическую проницаемость 1,89 при 20 °C. [26] Эта информация важна при разработке методов разделения, подготовки проб и хроматографии в аналитической химии .

Однако к корреляции следует относиться с осторожностью. Например, дихлорметан имеет значение ε r 9,08 ( 20 °C) и довольно плохо растворяется в воде (13   г/л или 9,8   мл/л при 20 °C); в то же время тетрагидрофуран имеет ε r = 7,52 при 22 °С, но полностью смешивается с водой. В случае тетрагидрофурана атом кислорода может действовать как акцептор водородной связи ; тогда как дихлорметан не может образовывать водородные связи с водой.

Это становится еще более примечательным при сравнении ε r значений уксусной кислоты (6,2528) [27] и йодэтана ( 7,6177). [27] Большое численное значение ε r неудивительно во втором случае, поскольку атом йода легко поляризуется; тем не менее это не означает, что он тоже полярен (электронная поляризуемость в этом случае преобладает над ориентационной).

Среда с потерями [ править ]

Опять же, как и в случае с абсолютной диэлектрической проницаемостью , относительная диэлектрическая проницаемость для материалов с потерями может быть сформулирована как:

с точки зрения «диэлектрической проводимости» σ (единицы См/м, сименс на метр), которая «суммируется по всем диссипативным эффектам материала; она может представлять собой фактическую [электрическую] проводимость, вызванную мигрирующими носителями заряда, а также может относятся к потерям энергии, связанным с дисперсией ε ′ [действительной диэлектрической проницаемости]» ( [17] п. 8). Разложив угловую частоту ω = 2π c / λ и электрическую постоянную ε 0 = 1/ µ 0 c 2 , что сводится к:

где λ — длина волны, c — скорость света в вакууме, а κ = μ 0 c / 2π = 59,95849 Ом ≈ 60,0 Ом — новая введенная константа (единицы измерения — омы или обратные сименсы , такие, что σλκ = ε r остается безразмерным) .

Металлы [ править ]

Диэлектрическая проницаемость обычно связана с диэлектрическими материалами , однако металлы описываются как имеющие эффективную диэлектрическую проницаемость, при этом реальная относительная диэлектрическая проницаемость равна единице. [28] В высокочастотной области, которая простирается от радиочастот до дальней инфракрасной и терагерцовой области, плазменная частота электронного газа намного превышает частоту электромагнитного распространения, поэтому показатель преломления n металла очень близок к чисто мнимому значению. число. В низкочастотном режиме эффективная относительная диэлектрическая проницаемость также является почти чисто мнимой: она имеет очень большое мнимое значение, связанное с проводимостью, и сравнительно незначительное действительное значение. [29]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гектор, LG; Шульц, Х.Л. (1936). «Диэлектрическая проницаемость воздуха на радиочастотах». Физика . 7 (4): 133–136. Бибкод : 1936Physi...7..133H . дои : 10.1063/1.1745374 .
  2. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Янг, HD; Фридман, РА; Льюис, Ал. (2012). Университетская физика с современной физикой (13-е изд.). Аддисон-Уэсли. п. 801. ИСБН  978-0-321-69686-1 .
  3. ^ Борх, Йенс; Лайн, М. Брюс; Марк, Ричард Э. (2001). Справочник по физическим испытаниям бумаги Vol. 2 (2-е изд.). ЦРК Пресс. п. 348. ИСБН  0203910494 .
  4. ^ Грей, PR; Херст, П.Дж.; Льюис, Ш.; Мейер, Р.Г. (2009). Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем (5-е изд.). Уайли. п. 40. ИСБН  978-0-470-24599-6 .
  5. ^ Харман, АК; Ниномия, С.; Адачи, С. (1994). «Оптические константы монокристаллов сапфира (α-Al 2 O 3 )». Журнал прикладной физики . 76 (12): 8032–8036. Бибкод : 1994JAP....76.8032H . дои : 10.1063/1.357922 .
  6. ^ «Диэлектрические материалы — диэлектрическая проницаемость» . Проверено 17 июня 2023 г.
  7. ^ «Свойства силиконовой резины» . Азоматериалы.
  8. ^ Фокс, Марк (2010). Оптические свойства твердых тел (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . п. 283. ИСБН  978-0199573370 .
  9. ^ «Изысканная керамика» (PDF) . Материалы Тошиба .
  10. ^ «Таблицы свойств материалов» (PDF) . Керамическая промышленность . 2013.
  11. ^ Арчер, Г.Г.; Ван, П. (1990). «Диэлектрическая проницаемость воды и наклоны предельного закона Дебая-Хюккеля». Журнал физических и химических справочных данных . 19 (2): 371–411. дои : 10.1063/1.555853 .
  12. ^ «Вседозволенность» . school.matter.org.uk . Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г.
  13. ^ Поль, ХА (1986). «Гигантская поляризация в высоких полимерах». Журнал электронных материалов . 15 (4): 201. Бибкод : 1986JEMat..15..201P . дои : 10.1007/BF02659632 .
  14. ^ Гийеме-Фрич, С.; Лебей, Т.; Булос, М.; Дюран, Б. (2006). «Диэлектрические свойства CaCu 3 Ti 4 O 12 многофазной керамики на основе » (PDF) . Журнал Европейского керамического общества . 26 (7): 1245. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2005.01.055 .
  15. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Совет по стандартам IEEE (1997). «Стандартные определения IEEE терминов, касающихся распространения радиоволн» . Стандарт IEEE 211-1997 : 6.
  16. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Браславский, С.Е. (2007). «Словарь терминов, используемых в фотохимии (рекомендации ИЮПАК, 2006 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 79 (3): 293–465. дои : 10.1351/pac200779030293 . S2CID   96601716 .
  17. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Линьфэн Чен и Виджай К. Варадан (2004). СВЧ-электроника: измерения и характеристика материалов . Джон Уайли и сыновья. п. 8, уравнение (1.15). дои : 10.1002/0470020466 . ISBN  978-0-470-84492-2 .
  18. ^ Кинг, Рональд В.П. (1963). Фундаментальная электромагнитная теория . Нью-Йорк: Дувр. п. 139.
  19. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Джон Дэвид Джексон (1998). Классическая электродинамика (Третье изд.). Нью-Йорк: Уайли. п. 154 . ISBN  978-0-471-30932-1 .
  20. ^ Муру, Жерар А. (2006). «Оптика в релятивистском режиме». Обзоры современной физики . 78 (2): 309. Бибкод : 2006РвМП...78..309М . дои : 10.1103/RevModPhys.78.309 .
  21. ^ Эванс, С. (1965). «Диэлектрические свойства льда и снега – обзор» . Журнал гляциологии . 5 (42): 773–792. дои : 10.3189/S0022143000018840 . S2CID   227325642 .
  22. ^ Фудзита, Сюдзи; Мацуока, Такеши; Исида, Тошихиро; Мацуока, Кеничи; Мэй, Синдзи, Краткое описание комплексной диэлектрической проницаемости льда в мегагерцовом диапазоне и ее применения для радиолокационного зондирования полярных ледниковых щитов (PDF)
  23. ^ Куек, ЧиЯу. «Измерение свойств диэлектрических материалов» (PDF) . Р&С.
  24. ^ Коста, Ф.; Амабайл, К.; Монорчио, А.; Прати, Э. (2011). «Методика измерения диэлектрической проницаемости волновода на основе резонансных фильтров ЧСС» . Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах . 21 (5): 273. doi : 10.1109/LMWC.2011.2122303 . S2CID   34515302 .
  25. ^ 5×10 −6 /°С, 1,4×10 −6 /% относительной влажности и 100×10 −6 /атм соответственно. См. «Бюджетный интегрированный интерфейс для емкостных датчиков» , Али Хейдари, 2010, диссертация, стр. 12. ISBN   9789461130136 .
  26. ^ Лиде, Д.Р., изд. (2005). Справочник CRC по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN  0-8493-0486-5 .
  27. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б АЕ. Фриш, М. Дж. Фриш, Ф. Р. Клементе, GW Trucks. Справочник пользователя Gaussian 09. Gaussian, Inc.: Уоллигфорд, Коннектикут, 2009. – с. 257.
  28. ^ Луртиоз, Ж.-М.; и др. (2005). Фотонные кристаллы: на пути к наноразмерным фотонным устройствам . Спрингер. стр. 121–122. ISBN  978-3-540-24431-8 . уравнение (4.6), стр. 121
  29. ^ Луртиоз (2005), уравнения (4.8)–(4.9), стр. 122
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Relative_permittivity&oldid=1228852729"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0c17cc58debe774f9c9f3bd583cf17ec__1718280840
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/0c/ec/0c17cc58debe774f9c9f3bd583cf17ec.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Relative permittivity - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)