Как найти диэлектрическую проницаемость среды формула

In electromagnetism, the absolute permittivity, often simply called permittivity and denoted by the Greek letter ε (epsilon), is a measure of the electric polarizability of a dielectric. A material with high permittivity polarizes more in response to an applied electric field than a material with low permittivity, thereby storing more energy in the material. In electrostatics, the permittivity plays an important role in determining the capacitance of a capacitor.

In the simplest case, the electric displacement field D resulting from an applied electric field E is

More generally, the permittivity is a thermodynamic function of state.^[1] It can depend on the frequency, magnitude, and direction of the applied field. The SI unit for permittivity is farad per meter (F/m).

The permittivity is often represented by the relative permittivity ε_r which is the ratio of the absolute permittivity ε and the vacuum permittivity ε₀

.

This dimensionless quantity is also often and ambiguously referred to as the permittivity. Another common term encountered for both absolute and relative permittivity is the dielectric constant which has been deprecated in physics and engineering^[2] as well as in chemistry.^[3]

By definition, a perfect vacuum has a relative permittivity of exactly 1 whereas at standard temperature and pressure, air has a relative permittivity of κ_air ≈ 1.0006.

Relative permittivity is directly related to electric susceptibility (χ) by

otherwise written as

The term «permittivity» was introduced in the 1880s by Oliver Heaviside to complement Thomson’s (1872) «permeability».^[4] Formerly written as p, the designation with ε has been in common use since the 1950s.

Units[edit]

The standard SI unit for permittivity is farad per meter (F/m or F·m⁻¹).^[5]

Explanation[edit]

In electromagnetism, the electric displacement field D represents the distribution of electric charges in a given medium resulting from the presence of an electric field E. This distribution includes charge migration and electric dipole reorientation. Its relation to permittivity in the very simple case of linear, homogeneous, isotropic materials with «instantaneous» response to changes in electric field is:

where the permittivity ε is a scalar. If the medium is anisotropic, the permittivity is a second rank tensor.

In general, permittivity is not a constant, as it can vary with the position in the medium, the frequency of the field applied, humidity, temperature, and other parameters. In a nonlinear medium, the permittivity can depend on the strength of the electric field. Permittivity as a function of frequency can take on real or complex values.

In SI units, permittivity is measured in farads per meter (F/m or A²·s⁴·kg⁻¹·m⁻³). The displacement field D is measured in units of coulombs per square meter (C/m²), while the electric field E is measured in volts per meter (V/m). D and E describe the interaction between charged objects. D is related to the charge densities associated with this interaction, while E is related to the forces and potential differences.

Vacuum permittivity[edit]

The vacuum permittivity ε₀ (also called permittivity of free space or the electric constant) is the ratio D/E in free space. It also appears in the Coulomb force constant,

Its value is^[6][7]

where

• c₀ is the speed of light in free space,^[a]
• µ₀ is the vacuum permeability.

The constants c₀ and μ₀ were both defined in SI units to have exact numerical values until the 2019 redefinition of the SI base units. Therefore, until that date, ε₀ could be also stated exactly as a fraction,
even if the result was irrational (because the fraction contained π).^[9] In contrast, the ampere was a measured quantity before 2019, but since then the ampere is now exactly defined and it is μ₀ that is an experimentally measured quantity (with consequent uncertainty) and therefore so is the new 2019 definition of ε₀ (c₀ remains exactly defined before and since 2019).

Relative permittivity[edit]

The linear permittivity of a homogeneous material is usually given relative to that of free space, as a relative permittivity ε_r (also called dielectric constant, although this term is deprecated and sometimes only refers to the static, zero-frequency relative permittivity). In an anisotropic material, the relative permittivity may be a tensor, causing birefringence. The actual permittivity is then calculated by multiplying the relative permittivity by ε₀:

where χ (frequently written χ_e) is the electric susceptibility of the material.

The susceptibility is defined as the constant of proportionality (which may be a tensor) relating an electric field E to the induced dielectric polarization density P such that

where ε₀ is the electric permittivity of free space.

The susceptibility of a medium is related to its relative permittivity ε_r by

So in the case of a vacuum,

The susceptibility is also related to the polarizability of individual particles in the medium by the Clausius-Mossotti relation.

The electric displacement D is related to the polarization density P by

The permittivity ε and permeability µ of a medium together determine the phase velocity v = c/n of electromagnetic radiation through that medium:

Practical applications[edit]

Determining capacitance[edit]

The capacitance of a capacitor is based on its design and architecture, meaning it will not change with charging and discharging. The formula for capacitance in a parallel plate capacitor is written as

where is the area of one plate, is the distance between the plates, and is the permittivity of the medium between the two plates. For a capacitor with relative permittivity , it can be said that

Gauss’s law[edit]

Permittivity is connected to electric flux (and by extension electric field) through Gauss’s law. Gauss’s law states that for a closed Gaussian surface, S,

where is the net electric flux passing through the surface, is the charge enclosed in the Gaussian surface, is the electric field vector at a given point on the surface, and is a differential area vector on the Gaussian surface.

If the Gaussian surface uniformly encloses an insulated, symmetrical charge arrangement, the formula can be simplified to

where represents the angle between the electric field lines and the normal (perpendicular) to S.

If all of the electric field lines cross the surface at 90°, the formula can be further simplified to

Because the surface area of a sphere is , the electric field a distance away from a uniform, spherical charge arrangement is

This formula applies to the electric field due to a point charge, outside of a conducting sphere or shell, outside of a uniformly charged insulating sphere, or between the plates of a spherical capacitor.

Dispersion and causality[edit]

In general, a material cannot polarize instantaneously in response to an applied field, and so the more general formulation as a function of time is

That is, the polarization is a convolution of the electric field at previous times with time-dependent susceptibility given by χ(Δt). The upper limit of this integral can be extended to infinity as well if one defines χ(Δt) = 0 for Δt < 0. An instantaneous response would correspond to a Dirac delta function susceptibility χ(Δt) = χδ(Δt).

It is convenient to take the Fourier transform with respect to time and write this relationship as a function of frequency. Because of the convolution theorem, the integral becomes a simple product,

This frequency dependence of the susceptibility leads to frequency dependence of the permittivity. The shape of the susceptibility with respect to frequency characterizes the dispersion properties of the material.

Moreover, the fact that the polarization can only depend on the electric field at previous times (i.e. effectively χ(Δt) = 0 for Δt < 0), a consequence of causality, imposes Kramers–Kronig constraints on the susceptibility χ(0).

Complex permittivity[edit]

As opposed to the response of a vacuum, the response of normal materials to external fields generally depends on the frequency of the field. This frequency dependence reflects the fact that a material’s polarization does not change instantaneously when an electric field is applied. The response must always be causal (arising after the applied field), which can be represented by a phase difference. For this reason, permittivity is often treated as a complex function of the (angular) frequency ω of the applied field:

(since complex numbers allow specification of magnitude and phase). The definition of permittivity therefore becomes

where

• D₀ and E₀ are the amplitudes of the displacement and electric fields, respectively,
• i is the imaginary unit, i² = −1.

The response of a medium to static electric fields is described by the low-frequency limit of permittivity, also called the static permittivity ε_s (also ε_DC):

At the high-frequency limit (meaning optical frequencies), the complex permittivity is commonly referred to as ε_∞ (or sometimes ε_opt^[11]). At the plasma frequency and below, dielectrics behave as ideal metals, with electron gas behavior. The static permittivity is a good approximation for alternating fields of low frequencies, and as the frequency increases a measurable phase difference δ emerges between D and E. The frequency at which the phase shift becomes noticeable depends on temperature and the details of the medium. For moderate field strength (E₀), D and E remain proportional, and

Since the response of materials to alternating fields is characterized by a complex permittivity, it is natural to separate its real and imaginary parts, which is done by convention in the following way:

where

• ε′ is the real part of the permittivity;
• ε″ is the imaginary part of the permittivity;
• δ is the loss angle.

The choice of sign for time-dependence, e^−iωt, dictates the sign convention for the imaginary part of permittivity. The signs used here correspond to those commonly used in physics, whereas for the engineering convention one should reverse all imaginary quantities.

The complex permittivity is usually a complicated function of frequency ω, since it is a superimposed description of dispersion phenomena occurring at multiple frequencies. The dielectric function ε(ω) must have poles only for frequencies with positive imaginary parts, and therefore satisfies the Kramers–Kronig relations. However, in the narrow frequency ranges that are often studied in practice, the permittivity can be approximated as frequency-independent or by model functions.

At a given frequency, the imaginary part, ε″, leads to absorption loss if it is positive (in the above sign convention) and gain if it is negative. More generally, the imaginary parts of the eigenvalues of the anisotropic dielectric tensor should be considered.

In the case of solids, the complex dielectric function is intimately connected to band structure. The primary quantity that characterizes the electronic structure of any crystalline material is the probability of photon absorption, which is directly related to the imaginary part of the optical dielectric function ε(ω). The optical dielectric function is given by the fundamental expression:^[12]

In this expression, W_c,v(E) represents the product of the Brillouin zone-averaged transition probability at the energy E with the joint density of states,^[13][14] J_c,v(E); φ is a broadening function, representing the role of scattering in smearing out the energy levels.^[15] In general, the broadening is intermediate between Lorentzian and Gaussian;^[16][17] for an alloy it is somewhat closer to Gaussian because of strong scattering from statistical fluctuations in the local composition on a nanometer scale.

Tensorial permittivity[edit]

According to the Drude model of magnetized plasma, a more general expression which takes into account the interaction of the carriers with an alternating electric field at millimeter and microwave frequencies in an axially magnetized semiconductor requires the expression of the permittivity as a non-diagonal tensor.^[18] (see also Electro-gyration).

If ε₂ vanishes, then the tensor is diagonal but not proportional to the identity and the medium is said to be a uniaxial medium, which has similar properties to a uniaxial crystal.

Classification of materials[edit]

Classification of materials based on permittivity

εr″/εr′	Current conduction	Field propagation
0		perfect dielectric lossless medium
≪ 1	low-conductivity material poor conductor	low-loss medium good dielectric
≈ 1	lossy conducting material	lossy propagation medium
≫ 1	high-conductivity material good conductor	high-loss medium poor dielectric
∞	perfect conductor

Materials can be classified according to their complex-valued permittivity ε, upon comparison of its real ε′ and imaginary ε″ components (or, equivalently, conductivity, σ, when accounted for in the latter). A perfect conductor has infinite conductivity, σ = ∞, while a perfect dielectric is a material that has no conductivity at all, σ = 0; this latter case, of real-valued permittivity (or complex-valued permittivity with zero imaginary component) is also associated with the name lossless media.^[19] Generally, when σ/ωε′ ≪ 1 we consider the material to be a low-loss dielectric (although not exactly lossless), whereas σ/ωε′ ≫ 1 is associated with a good conductor; such materials with non-negligible conductivity yield a large amount of loss that inhibit the propagation of electromagnetic waves, thus are also said to be lossy media. Those materials that do not fall under either limit are considered to be general media.

Lossy medium[edit]

In the case of a lossy medium, i.e. when the conduction current is not negligible, the total current density flowing is:

where

Note that this is using the electrical engineering convention of the Complex conjugate ambiguity; the physics/chemistry convention involves the complex conjugate of these equations.

The size of the displacement current is dependent on the frequency ω of the applied field E; there is no displacement current in a constant field.

In this formalism, the complex permittivity is defined as:^[20][21]

In general, the absorption of electromagnetic energy by dielectrics is covered by a few different mechanisms that influence the shape of the permittivity as a function of frequency:

• First are the relaxation effects associated with permanent and induced molecular dipoles. At low frequencies the field changes slowly enough to allow dipoles to reach equilibrium before the field has measurably changed. For frequencies at which dipole orientations cannot follow the applied field because of the viscosity of the medium, absorption of the field’s energy leads to energy dissipation. The mechanism of dipoles relaxing is called dielectric relaxation and for ideal dipoles is described by classic Debye relaxation.
• Second are the resonance effects, which arise from the rotations or vibrations of atoms, ions, or electrons. These processes are observed in the neighborhood of their characteristic absorption frequencies.

The above effects often combine to cause non-linear effects within capacitors. For example, dielectric absorption refers to the inability of a capacitor that has been charged for a long time to completely discharge when briefly discharged. Although an ideal capacitor would remain at zero volts after being discharged, real capacitors will develop a small voltage, a phenomenon that is also called soakage or battery action. For some dielectrics, such as many polymer films, the resulting voltage may be less than 1–2% of the original voltage. However, it can be as much as 15–25% in the case of electrolytic capacitors or supercapacitors.

Quantum-mechanical interpretation[edit]

In terms of quantum mechanics, permittivity is explained by atomic and molecular interactions.

At low frequencies, molecules in polar dielectrics are polarized by an applied electric field, which induces periodic rotations. For example, at the microwave frequency, the microwave field causes the periodic rotation of water molecules, sufficient to break hydrogen bonds. The field does work against the bonds and the energy is absorbed by the material as heat. This is why microwave ovens work very well for materials containing water. There are two maxima of the imaginary component (the absorptive index) of water, one at the microwave frequency, and the other at far ultraviolet (UV) frequency. Both of these resonances are at higher frequencies than the operating frequency of microwave ovens.

At moderate frequencies, the energy is too high to cause rotation, yet too low to affect electrons directly, and is absorbed in the form of resonant molecular vibrations. In water, this is where the absorptive index starts to drop sharply, and the minimum of the imaginary permittivity is at the frequency of blue light (optical regime).

At high frequencies (such as UV and above), molecules cannot relax, and the energy is purely absorbed by atoms, exciting electron energy levels. Thus, these frequencies are classified as ionizing radiation.

While carrying out a complete ab initio (that is, first-principles) modelling is now computationally possible, it has not been widely applied yet. Thus, a phenomenological model is accepted as being an adequate method of capturing experimental behaviors. The Debye model and the Lorentz model use a first-order and second-order (respectively) lumped system parameter linear representation (such as an RC and an LRC resonant circuit).

Measurement[edit]

The relative permittivity of a material can be found by a variety of static electrical measurements. The complex permittivity is evaluated over a wide range of frequencies by using different variants of dielectric spectroscopy, covering nearly 21 orders of magnitude from 10⁻⁶ to 10¹⁵ hertz. Also, by using cryostats and ovens, the dielectric properties of a medium can be characterized over an array of temperatures. In order to study systems for such diverse excitation fields, a number of measurement setups are used, each adequate for a special frequency range.

Various microwave measurement techniques are outlined in Chen et al..^[22] Typical errors for the Hakki-Coleman method employing a puck of material between conducting planes are about 0.3%.^[23]

• Low-frequency time domain measurements (10⁻⁶ to 10³ Hz)
• Low-frequency frequency domain measurements (10⁻⁵ to 10⁶ Hz)
• Reflective coaxial methods (10⁶ to 10¹⁰ Hz)
• Transmission coaxial method (10⁸ to 10¹¹ Hz)
• Quasi-optical methods (10⁹ to 10¹⁰ Hz)
• Terahertz time-domain spectroscopy (10¹¹ to 10¹³ Hz)
• Fourier-transform methods (10¹¹ to 10¹⁵ Hz)

At infrared and optical frequencies, a common technique is ellipsometry. Dual polarisation interferometry is also used to measure the complex refractive index for very thin films at optical frequencies.

For the 3D measurement of dielectric tensors at optical frequency, Dielectric tensor tomography [1] can be used.

See also[edit]

• Acoustic attenuation
• Density functional theory
• Electric-field screening
• Green–Kubo relations
• Green’s function (many-body theory)
• Linear response function
• Rotational Brownian motion
• Electromagnetic permeability

Notes[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

• C. J. F. Bottcher, O. C. von Belle & Paul Bordewijk (1973) Theory of Electric Polarization: Dielectric Polarization, volume 1, (1978) volume 2, Elsevier ISBN 0-444-41579-3.
• Arthur R. von Hippel (1954) Dielectrics and Waves ISBN 0-89006-803-8
• Arthur von Hippel editor (1966) Dielectric Materials and Applications: papers by 22 contributors ISBN 0-89006-805-4.

External links[edit]

• Electromagnetism, a chapter from an online textbook

Заряды взаимодействуют друг с другом в различных средах с различной силой, определяемой законом Кулона. Свойства этих сред определяет величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

Что такое диэлектрическая проницаемость

Согласно закону Кулона, два точечных неподвижных заряда q₁ и q₂ в вакууме взаимодействуют между собой с силой, заданной формулой F_кл=((1/4)*π* ε₀)*(|q₁|*|q₂|/r²), где:

• F_кл – сила Кулона, Н;
• q₁, q₂ – модули зарядов, Кл;
• r – расстояние между зарядами, м;
• ε₀ – электрическая постоянная, 8,85*10^-12 Ф/м (Фарад на метр).

Если взаимодействие происходит не в вакууме, в формулу входит ещё одна величина, определяющая влияние вещества на силу Кулона, и запись закона Кулона выглядит так:

F=((1/4)*π* ε₀* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²).

Эта величина обозначается греческой буквой ε (эпсилон), она безразмерна (не имеет единицы измерения). Диэлектрическая проницаемость является коэффициентом ослабления взаимодействия зарядов в веществе.

Часто в физике диэлектрическая проницаемость используется совместно с электрической постоянной, в этом случае удобно ввести понятие абсолютной диэлектрической проницаемости. Она обозначается ε_a и равна ε_a= ε₀* ε. В этом случае абсолютная проницаемость имеет размерность Ф/м. Обычную проницаемость ε также называют относительной, чтобы отличить ее от ε_a.

Природа диэлектрической проницаемости

В основе природы диэлектрической проницаемости лежит явление поляризации под действием электрического поля. Большинство веществ в целом электрически нейтральны, хотя и содержат заряженные частицы. Эти частицы расположены в массе вещества хаотично и их электрические поля в среднем нейтрализуют друг друга.

В диэлектриках находятся, в основном связанные заряды (их называют диполями). Эти диполи условно представляют собой связки из двух разноименных частиц, которые по толщине диэлектрика ориентированы спонтанно и в среднем создают нулевую напряженность электрического поля. Под действием внешнего поля диполи стремятся сориентироваться согласно приложенной силе. В результате создается дополнительное электрическое поле. Сходные явления происходят и в неполярных диэлектриках.

В проводниках процессы похожие, только там имеются свободные заряды, которые под действием внешнего поля разделяются и также создают собственное электрическое поле. Это поле направлено навстречу внешнему, экранирует заряды и снижает силу их взаимодействия. Чем больше способность вещества к поляризации, тем выше ε.

Диэлектрическая проницаемость различных веществ

Разные вещества имеют различную диэлектрическую проницаемость. Значение ε для некоторых из них приведено в таблице 1. Очевидно, что эти значения больше единицы, поэтому взаимодействие зарядов, по сравнению с вакуумом, всегда уменьшается. Также надо заметить, что для воздуха ε немногим более единицы, поэтому взаимодействие зарядов в воздухе практически не отличается от взаимодействия в вакууме.

Таблица 1. Значения электрической проницаемости для различных веществ.

Диэлектрическая проницаемость и ёмкость конденсатора

Знание величины ε на практике важно, например, при создании электрических конденсаторов. Их ёмкость зависит от геометрических размеров обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Если надо получить конденсатор повышенной ёмкости, то увеличение площади обкладок ведет к увеличению габаритов. На уменьшение расстояния между электродами также имеются практические ограничения. В этом случае может помочь применение изолятора с увеличенной диэлектрической проницаемостью. Если применить материал с более высоким ε, можно кратно уменьшить размер обкладок или увеличить расстояние между ними без потерь электрической ёмкости.

В отдельную категорию выделяют вещества, называемые сегнетоэлектриками, у которых при определенных условиях возникает спонтанная поляризация. В рассматриваемой области для них характерны два момента:

• большие значения диэлектрической проницаемости (характерные значения — от сотен до нескольких тысяч);
• возможность управлять величиной диэлектрической проницаемости путем изменения внешнего электрического поля.

Эти свойства используются для изготовления конденсаторов большой ёмкости (за счёт увеличенных значение диэлектрической проницаемости изолятора) с небольшими массогабаритными показателями.

Такие устройства работают только в низкочастотных цепях переменного тока – при увеличении частоты их диэлектрическая проницаемость падает. Другое применение сегнетоэлектриков – конденсаторы переменной ёмкости, чьи характеристики меняются под действием приложенного электрического поля с изменяющимися параметрами.

Диэлектрическая проницаемость и потери в диэлектрике

Также от значения диэлектрической проницаемости зависят потери в диэлектрике – это та часть энергии, которая теряется в диэлектрике на его нагрев. Для описания этих потерь обычно применяется параметр tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь. Он характеризует мощность диэлектрических потерь в конденсаторе, у которого диэлектрик изготовлен из материала с имеющимся tg δ. А удельная мощность потерь для каждого вещества определяется формулой p=E²*ώ*ε₀*ε*tg δ, где:

• p – удельная мощность потерь, Вт;
• ώ=2*π*f – круговая частота электрического поля;
• E – напряженность электрического поля, В/м.

Очевидно, что чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше потери в диэлектрике при прочих равных условиях.

Зависимость диэлектрической проницаемости от сторонних факторов

Следует заметить, что значение диэлектрической проницаемости зависит от частоты электрического поля (в данном случае – от частоты напряжения, приложенного к обкладкам). С ростом частоты значение ε у многих веществ падает. Этот эффект ярко выражен для полярных диэлектриков. Объяснить это явление можно тем, что заряды (диполи) перестают успевать следовать за полем. У веществ, для которых характерна ионная или электронная поляризация, зависимость диэлектрической проницаемости от частоты мала.

Поэтому так важен подбор материалов для выполнения диэлектрика конденсатора. То, что работает на низких частотах, не обязательно позволит получить качественную изоляцию на высоких. Чаще всего на ВЧ в качестве изолятора применяют неполярные диэлектрики.

Также диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, причем у разных веществ по-разному. У неполярных диэлектриков она падает с ростом температуры. В этом случае для конденсаторов, выполненных с применением такого изолятора, говорят об отрицательном температурном коэффициенте ёмкости (ТКЕ) – ёмкость с ростом температуры падает вслед за ε. У других веществ проницаемость с ростом температуры увеличивается, и можно получить конденсаторы с положительным ТКЕ. Включив в пару конденсаторы с противоположными ТКЕ, можно получить термостабильную ёмкость.

Понимание сущности и знание значения диэлектрической проницаемости различных веществ важно для практических целей. А возможность управлять уровнем диэлектрической проницаемости даёт дополнительные технические перспективы.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектри́ческая проница́емость среды абсолютная — коэффициент, входящий в математическую запись закона Кулона и уравнение связи векторов электрической индукции и напряженности электрического поля ^[1]. Абсолютную диэлектрическую проницаемость ε_a представляют^[2] в виде произведения ε_a = ε_r ε₀ относительной диэлектрической проницаемости среды ε_r (от англ. relative — относительный; ε_r для краткости часто называют просто диэлектрической проницаемостью и обозначают ε) и электрической постоянной ε₀.

Диэлектри́ческая проница́емость среды относительная — физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость ε_r является безразмерной величиной, обусловлена эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля и определяется характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды. Значение ε_r вакуума равно единице, для реальных сред ε_r > 1. Для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях значение ε_r близко к единице в силу их низкой плотности. В статическом электрическом поле для большинства твёрдых или жидких диэлектриков значение ε_r лежит в интервале от 2 до 8, для воды значение ε_r достаточно высокое, около 80. Значение ε_r велико для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом. Значение ε_r сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Электрическая постоянная ε₀ ≈ 8.85·10⁻¹² Ф/м. Размерность ε₀, как и размерность абсолютной диэлектрической проницаемости ε_a среды, в Международной системе величин составляет L⁻³M⁻¹T⁴I². В СИ, основанной на Международной системе величин, единицей абсолютной диэлектрической постоянной является фарад, деленный на метр: []=Ф/м. Для вакуума значения ε_a и ε₀ равны. В зарубежной литературе для электрической постоянной принято обозначение ε. Электрическая постоянная используется только в Международной системе единиц (СИ), в которой размерности электрической индукции и напряжённости электрического поля различны. В системе СГС необходимость во введении абсолютной диэлектрической проницаемости отсутствует.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε_r среды наряду с относительной магнитной проницаемостью μ_r и удельной электропроводностью σ среды влияют на распределение напряженности компонент электромагнитного поля в пространстве и описывают среду в материальных уравнениях системы уравнений электродинамики (системы уравнений Максвелла), их называют электромагнитными параметрами среды. Среду со значениями μ_r = 1 и σ = 0 называют идеальным диэлектриком (диэлектриком без поглощения, диэлектриком без потерь), для неё ε_r определяет такие вторичные параметры, как коэффициент преломления среды, скорость распространения, фазовую скорость и коэффициент укорочения длины электромагнитной волны в среде, волновое сопротивление среды. Относительная диэлектрическая проницаемость реальных диэлектриков (диэлектриков с потерями, диэлектриков с поглощением, для которых σ > 0) также влияет на значение тангенса угла диэлектрических потерь и погонное затухание электромагнитной волны в среде. Относительная диэлектрическая проницаемость среды влияет на электрическую ёмкость расположенных в ней проводников: увеличение ε_r приводит к увеличению ёмкости. При изменении ε_r в пространстве (то есть если ε_r зависит от координат) говорят о неоднородной среде, зависимость ε_r от частоты электромагнитных колебаний — одна из возможных причин дисперсии электромагнитных волн, зависимость ε_r от напряженности электрического поля — одна из возможных причин нелинейности среды. Если в материальном уравнении ε_r является не скаляром, а тензором, то говорят об анизотропной среде. При использовании метода комплексных амплитуд в решении системы уравнений Максвелла и наличии потерь в среде (σ > 0) оперируют с комплексной диэлектрической проницаемостью.

Некоторые свойства[править | править вики-текст]

Строго говоря, диэлектрическая проницаемость связывает электрическую индукцию и напряжённость электрического поля. В общем случае диэлектрическая проницаемость является тензором, определяемым из следующих соотношений (в записи использовано соглашение Эйнштейна):

или

здесь:

 — вектор напряжённости электрического поля,

 — вектор электрической индукции,

 — тензор абсолютной диэлектрической проницаемости.

Для среды с конечной проводимостью (поглощающая среда, среда с потерями) в тензор диэлектрической проницаемости часто включают мнимую компоненту, пропорциональную проводимости. Пусть напряженность электрического поля изменяется во времени по гармоническому закону (далее  — мнимая единица):

Тогда одно из уравнений Максвелла для непроводящей среды с постоянным во времени тензором :

С другой стороны, для проводящей среды с тензором проводимости :

Чтобы привести это уравнение к виду, формально совпадающему с видом уравнения для непроводящей среды, можно ввести тензор комплексной диэлектрической проницаемости :

Таким образом, становится возможным использование для проводящих сред формул, полученных для идеальных диэлектриков. Кроме того, даже в случаях, когда в постоянном электрическом поле среда обладает очень малой проводимостью, на высоких частотах могут проявиться существенные потери, которые при таком подходе также можно приписать некоторой «эффективной» диэлектрической проницаемости. В таком случае говорят о тангенсе угла δ диэлектрических потерь

Иногда при описании колебаний электрического поля в методом комплексных амплитуд используют «отрицательную временную зависимость»: . В таких случаях следует везде перед заменить знак на противоположный.

Необходимо отметить, что:

Зависимость от частоты[править | править вики-текст]

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 10¹⁴ Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.

Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля относительная диэлектрическая проницаемость воды 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 1,77, соответственно показатель преломления воды равен 1,33. О поведении относительной диэлектрической проницаемости воды в диапазоне частот от 0 до 10¹² (инфракрасная область) можно прочитать на [1] (англ.)

Измерение[править | править вики-текст]

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества ε_r может быть определена путём сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (C_x) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (C_o):

Практическое применение[править | править вики-текст]

Диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Применение материала с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно сократить габаритные размеры конденсатора. Например, ёмкость плоского конденсатора

где ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость материала между обкладками, ε_о — электрическая постоянная, S — площадь обкладок конденсатора, d — расстояние между обкладками. Таким образом, требуемая площадь S обкладок обратно пропорциональна ε_r.

Значение диэлектрической проницаемости материала основания учитывается при разработке печатных плат, поскольку оно влияет на значение статической ёмкости проводящего рисунка слоев питания и волновое сопротивление проводников (линий передачи сигналов) на плате.

Значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ[править | править вики-текст]

Вещество	Химическая формула	Условия измерения	Характерное значение εr
Вакуум	—	—	1
Воздух	—	Нормальные условия, 0,9 МГц	1,00058986 ± 0,00000050
Углекислый газ	CO2	Нормальные условия	1,0009
Тефлон (политетрафторэтилен, фторопласт)	[-СF2-СF2-]n	—	2,1
Нейлон	—	—	3,2
Полиэтилен	[-СН2-СН2-]n	—	2,25
Полистирол	[-СН2-С(С6Н5)Н-]n	—	2,4-2,7
Каучук	—	—	2,4
Битум	—	—	2,5-3,0
Сероуглерод	CS2	—	2,6
Парафин	С18Н38 − С35Н72	—	2,0-3,0
Бумага	—	—	2,0-3,5
Электроактивные полимеры	−	−	2-12
Эбонит	(C6H9S)2	−	2,5-3,0
Плексиглас (оргстекло)	—	—	3,5
Кварц	SiO2	—	3,5-4,5
Диоксид кремния	SiO2	−	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
Слюда	—	—	7,5
Резина	−	−	7
Поликор	98 % Al2O3	—	9,7
Алмаз	−	−	5,5-10
Поваренная соль	NaCl	−	3-15
Графит	C	−	10-15
Керамика	−	−	10-20
Кремний	Si	−	11.68
Бор	B	−	2.01
Аммиак	NH3	20 °C	17
		0 °C	20
		−40 °C	22
		−80 °C	26
Спирт этиловый	C2H5OH или CH3-CH2-OH	−	27
Метанол	CH3OH	−	30
Этиленгликоль	HO—CH2—CH2—OH	−	37
Фурфурол	C5H4O2	−	42
Глицерин	HOCH2CH(OH)-CH2OH или C3H5(OH)3	0 °C	41,2
		20 °C	47
		25 °C	42,5
Вода	H2O	200 °C	34,5
		100 °C	55,3
		20 °C	81
		0 °C	88
Плавиковая кислота	HF	0 °C	83,6
Формамид	HCONH2	20 °C	84
Серная кислота	H2SO4	20-25 °C	84-100
Пероксид водорода	H2O2	−30 °C — +25 °C	128
Синильная кислота	HCN	(0-21 °C)	158
Двуокись титана	TiO2	—	86-173
Титанат кальция	CaTiO3	—	170
Титанат стронция	SrTiO3	—	310
Титанат бария-стронция	(Ba1−xSrx)TiO3, 0<x<1	—	500
Титанат бария	BaTiO3	(20-120 °C)	1250-10000
Цирконат-титанат свинца	(Pb[ZrxTi1-x]O3, 0<x<1)		500-6000
Сополимеры	—	—	до 100000
Сульфид кадмия	CdS		9,3

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

• Диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая константа)
• Диэлектрическая восприимчивость
• Поляризация диэлектриков