Диэлектрическая проницаемость для металла

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.

Содержание

Измерение

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества εr может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (Cx) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (Co):

Практическое применение

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 εr — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, εо — 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.

Зависимость от частоты

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 εr начинает падать. В оптическом диапазоне εr составляет приблизительно 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. [1] В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения [источник не указан 665 дней] 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 [1] (англ.)

Источник

Диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная

Электрическая постоянная — характеристика вакуума, она описывает его электрические свойства. А диэлектрическая проницаемость описывает свойства веществ – диэлектриков, ослабляющих взаимодействие зарядов.

Электрическая постоянная

Обозначают ее \(\large \varepsilon_<0>\), она описывает электрические свойства вакуума и является одной из фундаментальных физических постоянных.

Значение электрической постоянной равно:

Совместно с магнитной постоянной (ссылка) \(\large \mu_<0>\) определяет скорость, с которой в вакууме распространяются электромагнитные волны (например, видимый свет).

В формуле закона Кулона присутствует константа «k». Число «k» вычисляют по формуле, которая связывает его с постоянной \(\large \varepsilon_<0>\) так:

Так же, эта константа встречается в формуле, описывающей напряженность электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость вещества

Некоторые вещества могут ослаблять взаимодействие зарядов.

Вещества, ослабляющие взаимодействие заряженных частиц, называют изолирующими веществами, или диэлектриками.

Для пояснения рассмотрим электрические свойства дистиллированной воды.

Читайте также:  Пункт приема металлолома по саратову

Расположим в вакууме два положительных заряда на некотором расстоянии один от другого, они будут отталкиваться Кулоновскими силами.

Затем, не меняя заряды и расстояние между ними, переместим их в дистиллированную воду. Мы обнаружим, что в воде они будут отталкиваться слабее в 81 раз (рис. 1).

В нижней части рисунка силы отталкивания зарядов в воде обозначены короткими синими векторами. Длина этих векторов должна быть в 81 раз меньше, чем длина векторов сил в вакууме в верхней части рисунка. Однако, векторы имеют большую длину на рисунке, чем в реальности, так как, если их уменьшить в нужное число раз, то их невозможно будет рассмотреть.

Диэлектрическая проницаемость \(\large \varepsilon\) описывает изолирующие свойства диэлектриков. Она показывает, во сколько раз внутри вещества — диэлектрика ослабляется взаимодействие зарядов.

Ослабление взаимодействия происходит за счет ослабления напряженности электростатического поля в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ

Вы можете использовать данные таблички для решения большинства школьных задач физики.

Для некоторых веществ значения проницаемости округлены. К примеру, существуют стекла, имеющие значение проницаемости 6,0, и в то же время, проницаемость некоторых стекол может достигать значения 10,0. А в таблице для стекла указано среднее значение 8,0.

Чтобы осуществить более серьезные расчеты, не относящиеся к учебным, пожалуйста, воспользуйтесь специализированными справочниками.

Источник

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле:

D = εF
В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях диэлектрическая проницаемость не зависит от поля Е. В сильных же электрических полях (сравнимых с внутриатомными полями), а в некоторых диэлектриках в обычных полях зависимость D от Е — нелинейная.

Так же диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме:

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (Cx) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (Co):

Таблица значений диэлектрической проницаемости для твердых тел:

Таблица значений диэлектрической проницаемости для жидкостей:

Таблица значений диэлектрической проницаемости для газов:

Обозначение в формуле:

D — электрическая индукция в среде;

ε — диэлектрическая проницаемость среды;

E — напряжённость электрического поля;

F — сила взаимодействия между зарядами в среде;

F — сила взаимодействия между зарядами в вакууме;

Cx — ёмкость конденсатора в среде;

C — ёмкость конденсатора в вакууме.

Ещё картинки на тему диэлектрическая проницаемость:

Источник

Относительная диэлектрическая проницаемость — Relative permittivity

Относительные диэлектрические проницаемости некоторых материалов при комнатной температуре ниже 1 кГц
Материал ε r
Вакуум 1 (по определению)
Воздуха 1.000 589 86 ± 0.000 000 50
(при STP , 900 кГц),
ПТФЭ / тефлон 2.1
Полиэтилен / XLPE 2,25
Полиимид 3,4
Полипропилен 2,2–2,36
Полистирол 2,4–2,7
Сероуглерод 2,6
Майлар 3.1
Бумага , полиграфия 1,4 (200 кГц)
Электроактивные полимеры 2–12
Слюда 3–6
Диоксид кремния 3.9
Сапфир 8.9–11.1 (анизотропный)
Конкретный 4.5
Pyrex ( стекло ) 4,7 (3,7–10)
Неопрен 6,7
Прорезинивать 7
Алмазный 5,5–10
Поваренная соль 3–15
Графитовый 10–15
Резинка 2,9–4
Кремний 11,68
GaAs 12,4
Нитрид кремния 7–8 (поликристаллический, 1 МГц)
Аммиак 26, 22, 20, 17 (−80, −40, 0, +20 ° С)
Метанол 30
Этиленгликоль 37
Фурфурол 42,0
Глицерин 41,2, 47, 42,5 (0, 20, 25 ° С)
Вода 87,9, 80,2, 55,5
(0, 20, 100 ° C)
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)
Пероксид водорода 128 водный –60
(–30–25 ° C)
Синильная кислота 158,0–2,3 (0–21 ° С)
Оксид титана 86–173
Титанат стронция 310
Титанат бария-стронция 500
Титанат бария 1200–10 000 (20–120 ° C)
Цирконат титанат свинца 500–6000
Сопряженные полимеры 1,8–6 до 100 000
Титанат кальция и меди > 250 000
Читайте также:  Саморез бабочка для металла

Относительная диэлектрическая проницаемость , или диэлектрическая проницаемость , из материала , является его (абсолютной) диэлектрической проницаемостью выражается как отношение по отношению к вакуумной диэлектрической проницаемости .

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

Аналогичным образом, относительная диэлектрическая проницаемость является отношением емкости в виде конденсатора с использованием этого материала в качестве диэлектрика , по сравнению с аналогичным конденсатором , который имеет вакуум как его диэлектрик. Относительная диэлектрическая проницаемость также широко известна как диэлектрическая проницаемость , этот термин все еще используется, но не рекомендуется организациями по стандартизации в инженерии, а также в химии.

СОДЕРЖАНИЕ

Определение

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

ε р ( ω ) знак равно ε ( ω ) ε 0 , <\ displaystyle \ varepsilon _ (\ omega) = <\ frac <\ varepsilon (\ omega)><\ varepsilon _ <0>>>,>

Относительная диэлектрическая проницаемость — это безразмерное число, которое, как правило, имеет комплексные значения ; его действительная и мнимая части обозначаются как:

ε р ( ω ) знак равно ε р ′ ( ω ) — я ε р ″ ( ω ) . <\ displaystyle \ varepsilon _ (\ omega) = \ varepsilon _ ‘(\ omega) -i \ varepsilon _ ‘ ‘(\ omega).>

В анизотропных средах (таких как некубические кристаллы) относительная диэлектрическая проницаемость является тензором второго ранга .

Относительная диэлектрическая проницаемость материала для частоты, равной нулю, известна как его статическая относительная диэлектрическая проницаемость .

Терминология

Исторический термин относительной диэлектрической проницаемости — диэлектрическая проницаемость . Он по-прежнему широко используется, но не рекомендуется организациями по стандартизации из-за его неоднозначности, поскольку в некоторых более старых отчетах он использовался для определения абсолютной диэлектрической проницаемости ε. Диэлектрическая проницаемость может указываться как статическое свойство или как частотно-зависимый вариант. Он также использовался для обозначения только действительной составляющей ε ‘ r комплексной относительной диэлектрической проницаемости.

Физика

В причинной теории волн диэлектрическая проницаемость — сложная величина. 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, то есть ε = ε , хотя существуют теоретические нелинейные квантовые эффекты в вакууме, которыми нельзя пренебречь при высокой напряженности поля.

В следующей таблице приведены некоторые типичные значения.

Низкочастотные диэлектрические проницаемости некоторых распространенных растворителей

Растворитель Диэлектрическая постоянная Температура (K)
бензол 2.3 298
диэтиловый эфир 4.3 293
тетрагидрофуран (THF) 7,6 298
дихлорметан 9.1 293
жидкий аммиак 17 273
этиловый спирт 24,3 298
метанол 32,7 298
нитрометан 35,9 303
диметилформамид (ДМФ) 36,7 298
ацетонитрил 37,5 293
вода 78,4 298
формамид 109 293

Измерение

Относительная статическая диэлектрическая проницаемость, ε г , могут быть измерены для статических электрических полей следующим образом : сначала емкость тестового конденсатора , C , измеряется с помощью вакуума между его пластинами. Затем, используя тот же конденсатор и расстояние между его пластинами, измеряется емкость C с диэлектриком между пластинами. Затем относительную диэлектрическую проницаемость можно рассчитать как

ε р знак равно C C 0 . <\ displaystyle \ varepsilon _ = <\ frac >>.>

Для изменяющихся во времени электромагнитных полей эта величина становится частотно- зависимой. Косвенным методом вычисления ε r является преобразование результатов измерения радиочастотного S-параметра . Описание часто используемых преобразований S-параметров для определения частотно-зависимого ε r диэлектриков можно найти в этом библиографическом источнике. В качестве альтернативы на фиксированных частотах можно использовать эффекты, основанные на резонансе.

Приложения

Энергия

Относительная диэлектрическая проницаемость является важной информацией при проектировании конденсаторов и в других обстоятельствах, когда можно ожидать, что материал будет вносить 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 определенной конструкции. Слои под протравленными проводниками на печатных платах ( ПП ) также действуют как диэлектрики.

Читайте также:  Чем можно заделать дырки на металле

Коммуникация

Диэлектрики используются в линиях передачи ВЧ . В коаксиальном кабеле полиэтилен можно использовать между центральным проводом и внешним экраном. Его также можно размещать 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 пределах поперечного сечения. Это контролирует показатель преломления материала и, следовательно, оптические режимы передачи. Однако в этих случаях технически имеет значение относительная диэлектрическая проницаемость, поскольку они не работают в электростатическом пределе.

Окружающая обстановка

Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха изменяется в зависимости от температуры, влажности и атмосферного давления. Датчики могут быть сконструированы для обнаружения изменений емкости, вызванных изменениями относительной диэлектрической проницаемости. По большей части это изменение связано с воздействием температуры и влажности, поскольку барометрическое давление довольно стабильно. Используя изменение емкости, наряду с измеренной температурой, можно получить относительную влажность, используя инженерные формулы.

Химия

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, в то время как н — гексан неполярен и имеет относительную статическую диэлектрическую проницаемость 1,89 при 20 ° C. Эта информация важна при разработке методов разделения, пробоподготовки и хроматографии в аналитической химии .

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

Это еще более очевидным при сравнении е R значения уксусной кислоты (6.2528) , и что из йодистого (7.6177). Большое численное значение ε r во втором случае неудивительно, поскольку атом йода легко поляризуем; тем не менее, это не означает, что он тоже полярный ( в этом случае электронная поляризуемость превалирует над ориентационной).

Потерянная среда

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

ε р знак равно ε р ′ — я σ ω ε 0 , <\ displaystyle \ varepsilon _ = \ varepsilon _ ‘- <\ frac <\ omega \ varepsilon _ <0>>>,>

в терминах «диэлектрической проводимости» σ (единицы См / м, сименс на метр), которая «суммирует все диссипативные эффекты материала; она может представлять фактическую [электрическую] проводимость, вызванную мигрирующими носителями заряда, а также может относятся к потерям энергии, связанным с дисперсией ε ‘[действительной диэлектрической проницаемости] »(стр. 8). Разложив угловую частоту ω = 2π c / λ и электрическую постоянную ε = 1 / µ c 2 , можно получить:

ε р знак равно ε р ′ — я σ λ κ , <\ displaystyle \ varepsilon _ = \ varepsilon _ ‘- я \ sigma \ lambda \ kappa,>

где λ — длина волны, c — скорость света в вакууме, а κ = µ c / 2π = 59,95849 Ом ≈ 60,0 Ом — недавно введенная константа (единицы Ом или обратный сименс , так что σλκ = ε r остается без единицы измерения) .

Металлы

Диэлектрическая проницаемость обычно связана с диэлектрическими материалами , однако металлы описываются как имеющие эффективную диэлектрическую проницаемость с реальной относительной диэлектрической проницаемостью, равной единице. В низкочастотной области, которая простирается от радиочастот до дальнего инфракрасного и терагерцового диапазонов, плазменная частота электронного газа намного больше, чем частота распространения электромагнитного излучения, поэтому показатель преломления n металла очень близок к чисто воображаемому. номер. 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.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector