Относительная диэлектрическая проницаемость
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] |
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
[ редактировать ]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 e χ ε 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
[ редактировать ]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 действительной компоненты ε ′ r комплексной относительной диэлектрической проницаемости. [ нужна ссылка ]
Физика
[ редактировать ]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.
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
[ редактировать ]Относительная статическая диэлектрическая проницаемость ε r может быть измерена для статических электрических полей следующим образом: сначала емкость испытательного конденсатора C в вакууме между его обкладками 0 измеряется 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
[ редактировать ]Энергия
[ редактировать ]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.
Коммуникация
[ редактировать ]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.
Среда
[ редактировать ]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 и измеренную температуру, можно получить относительную влажность с помощью инженерных формул.
Химия
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]- Температура Кюри
- Диэлектрическая спектроскопия
- Диэлектрическая прочность
- Электрет
- Сегнетоэлектричество
- Отношения Грина-Кубо
- Диэлектрик с высоким κ
- Отношения Крамерса-Кронига
- Функция линейного отклика
- Диэлектрик с низким κ
- Тангенс угла потерь
- Диэлектрическая проницаемость
- Показатель преломления
- Проницаемость (электромагнетизм)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Диэлектрические материалы — диэлектрическая проницаемость» . Проверено 17 июня 2023 г.
- ^ «Свойства силиконовой резины» . Азоматериалы.
- ^ Фокс, Марк (2010). Оптические свойства твердых тел (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . п. 283. ИСБН 978-0199573370 .
- ^ «Изысканная керамика» (PDF) . Материалы Тошиба .
- ^ «Таблицы свойств материалов» (PDF) . Керамическая промышленность . 2013.
- ^ 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 .
- ^ «Вседозволенность» . school.matter.org.uk . Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г.
- ^ Поль, ХА (1986). «Гигантская поляризация в высоких полимерах». Журнал электронных материалов . 15 (4): 201. Бибкод : 1986JEMat..15..201P . дои : 10.1007/BF02659632 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б с Совет по стандартам IEEE (1997). «Стандартные определения IEEE терминов, касающихся распространения радиоволн» . Стандарт IEEE 211-1997 : 6.
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Кинг, Рональд В.П. (1963). Фундаментальная электромагнитная теория . Нью-Йорк: Дувр. п. 139.
- ^ Jump up to: а б Джон Дэвид Джексон (1998). Классическая электродинамика (Третье изд.). Нью-Йорк: Уайли. п. 154 . ISBN 978-0-471-30932-1 .
- ^ Муру, Жерар А. (2006). «Оптика в релятивистском режиме». Обзоры современной физики . 78 (2): 309. Бибкод : 2006РвМП...78..309М . дои : 10.1103/RevModPhys.78.309 .
- ^ Эванс, С. (1965). «Диэлектрические свойства льда и снега – обзор» . Журнал гляциологии . 5 (42): 773–792. дои : 10.3189/S0022143000018840 . S2CID 227325642 .
- ^ 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)
- ^ Куек, ЧиЯу. «Измерение свойств диэлектрических материалов» (PDF) . Р&С.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Лиде, Д.Р., изд. (2005). Справочник CRC по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5 .
- ^ Jump up to: а б АЕ. Фриш, М. Дж. Фриш, Ф. Р. Клементе, GW Trucks. Справочник пользователя Gaussian 09. Gaussian, Inc.: Уоллигфорд, Коннектикут, 2009. – с. 257.
- ^ 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
- ^ Луртиоз (2005), уравнения (4.8)–(4.9), стр. 122