Материал | ε r |
---|---|
Вакуум | 1 (по определению) |
Воздуха | 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 |
Майлар | 3.1 [2] |
Бумага , полиграфия | 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 |
Pyrex ( стекло ) | 4,7 (3,7–10) |
Неопрен | 6,7 [2] |
Резинка | 7 |
Алмазный | 5,5–10 |
Соль | 3–15 |
Графитовый | 10–15 |
Резинка | 2,9–4 [6] |
Кремний | 11,68 |
GaAs | 12,4 [7] |
Нитрид кремния | 7–8 (поликристаллический, 1 МГц) [8] [9] |
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) |
Воды | 87,9, 80,2, 55,5 (0, 20, 100 ° C) [10] 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 [11] | 1200–10 000 (20–120 ° C) |
Цирконат титанат свинца | 500–6000 |
Сопряженные полимеры | 1,8–6 до 100 000 [12] |
Титанат кальция и меди | > 250 000 [13] |
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 [14], а также в химии. [15]
Определение
Относительная диэлектрическая проницаемость обычно обозначается как ε r (ω) (иногда κ , каппа в нижнем регистре ) и определяется как
где ε (ω) - комплексная частотно-зависимая диэлектрическая проницаемость материала, а ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума .
Относительная диэлектрическая проницаемость - это безразмерное число, которое, как правило, имеет комплексные значения ; его действительная и мнимая части обозначаются как: [16]
Относительная диэлектрическая проницаемость среды связана с его электрической восприимчивости , χ е , а е г (со) = 1 + χ е .
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 [14] [15] из-за его неоднозначности, поскольку некоторые более старые авторы использовали его для определения абсолютной диэлектрической проницаемости ε. [14] [17] [18] 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. [ необходима цитата ]
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 [18], то есть ε = ε 0 , хотя в вакууме существуют теоретические нелинейные квантовые эффекты, которыми нельзя пренебречь при высокой напряженности поля. [19]
В следующей таблице приведены некоторые типичные значения.
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 |
спирт этиловый | 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 0 , 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
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. [20] В качестве альтернативы, эффекты, основанные на резонансе, могут использоваться на фиксированных частотах. [21]
Приложения
Энергия
Относительная диэлектрическая проницаемость является важной информацией при проектировании конденсаторов , а также в других обстоятельствах, когда можно ожидать, что материал внесет в цепь емкость . 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 протравленными проводниками на печатных платах ( PCB ) также действуют как диэлектрики.
Коммуникация
Диэлектрики используются в линиях передачи ВЧ . В коаксиальном кабеле полиэтилен можно использовать между центральным проводом и внешним экраном. Его также можно разместить 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.
Среда
Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха изменяется в зависимости от температуры, влажности и атмосферного давления. [22] 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. [23] 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) [24] и что из йодистого (7.6177). [24] Большое числовое значение ε r неудивительно во втором случае, 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:
в терминах «диэлектрической проводимости» σ (единицы См / м, сименс на метр), которая «суммирует все диссипативные эффекты материала; она может представлять фактическую [электрическую] проводимость, вызванную миграцией носителей заряда, а также может относятся к потерям энергии, связанным с дисперсией ε '[действительной диэлектрической проницаемости] »( [16], стр. 8). Разложив угловую частоту ω = 2π c / λ и электрическую постоянную ε 0 = 1 / µ 0 c 2 , можно получить:
где λ - длина волны, c - скорость света в вакууме, а κ = µ 0 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. [25] 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 мнимое 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. [26]
Смотрите также
- Температура Кюри
- Диэлектрическая спектроскопия
- Диэлектрическая прочность
- Электрет
- Сегнетоэлектричество
- Отношения Грина – Кубо
- Диэлектрик High-k
- Соотношение Крамерса – Кронига
- Функция линейного отклика
- Низкокалорийный диэлектрик
- Касательная потерь
- Разрешающая способность
- Показатель преломления
- Проницаемость (электромагнетизм)
Рекомендации
- ^ Гектор, LG; Шульц, HL (1936). «Диэлектрическая проницаемость воздуха при радиочастотах». Физика . 7 (4): 133–136. Bibcode : 1936Physi ... 7..133H . DOI : 10.1063 / 1.1745374 .
- ^ а б в Молодой, HD; Фридман, РА; Льюис, А.Л. (2012). Университетская физика с современной физикой (13-е изд.). Эддисон-Уэсли. п. 801. ISBN. 978-0-321-69686-1.
- ^ Борх, Йенс; Лайн, М. Брюс; Марк, Ричард Э. (2001). Справочник по физическим испытаниям бумаги Vol. 2 (2-е изд.). CRC Press. п. 348. ISBN 0203910494.
- ^ Серый, PR; Херст, П.Дж.; Льюис, SH; Мейер, Р.Г. (2009). Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем (5-е изд.). Вайли. п. 40. ISBN 978-0-470-24599-6.
- ^ Харман, AK; Ninomiya, S .; Адачи, С. (1994). «Оптические константы монокристаллов сапфира (α-Al 2 O 3 )». Журнал прикладной физики . 76 (12): 8032–8036. Bibcode : 1994JAP .... 76.8032H . DOI : 10.1063 / 1.357922 .
- ^ «Свойства силиконового каучука» . Азо материалы.
- ^ Фокс, Марк (2010). Оптические свойства твердых тел (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . п. 283. ISBN. 978-0199573370.
- ^ "Тонкая керамика" (PDF) . Материалы Toshiba .
- ^ «Таблицы свойств материалов» (PDF) . Керамическая промышленность . 2013.
- ^ Арчер, Г.Г. Ван П. (1990). "Диэлектрическая проницаемость воды и склоны предельного закона Дебая-Хюккеля". Журнал физических и химических справочных данных . 19 (2): 371–411. DOI : 10.1063 / 1.555853 .
- ^ «Разрешительность» . school.matter.org.uk . Архивировано из оригинала на 2016-03-11.
- ^ Поль, HA (1986). «Гигантская поляризация в высокополимерах». Журнал электронных материалов . 15 (4): 201. Bibcode : 1986JEMat..15..201P . DOI : 10.1007 / BF02659632 .
- ^ Guillemet-Fritsch, S .; Лебей, Т .; Boulos, M .; Дюран, Б. (2006). «Диэлектрические свойства многофазной керамики на основе CaCu 3 Ti 4 O 12 » (PDF) . Журнал Европейского керамического общества . 26 (7): 1245. DOI : 10.1016 / j.jeurceramsoc.2005.01.055 .
- ^ а б в Совет по стандартам IEEE (1997). «Стандартные определения терминов IEEE для распространения радиоволн» . п. 6.
- ^ а б Браславский С.Е. (2007). «Глоссарий терминов, используемых в фотохимии (рекомендации IUPAC 2006 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 79 (3): 293–465. DOI : 10,1351 / pac200779030293 . S2CID 96601716 .
- ^ а б Линфенг Чен и Виджай К. Варадан (2004). Электроника СВЧ: измерения и характеристики материалов . Джон Вили и сыновья. п. 8, уравнение (1.15). DOI : 10.1002 / 0470020466 . ISBN 978-0-470-84492-2.
- ^ Кинг, Ронольд WP (1963). Фундаментальная электромагнитная теория . Нью-Йорк: Дувр. п. 139.
- ^ а б Джон Дэвид Джексон (1998). Классическая электродинамика (Третье изд.). Нью-Йорк: Вили. п. 154 . ISBN 978-0-471-30932-1.
- ^ Муру, Жерар А. (2006). «Оптика в релятивистском режиме». Обзоры современной физики . 78 (2): 309. Bibcode : 2006RvMP ... 78..309M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.78.309 .
- ^ Куек, ЧиЯу. «Измерение свойств диэлектрических материалов» (PDF) . R&S.
- ^ Costa, F .; Amabile, C .; Monorchio, A .; Прати, Э. (2011). «Методика измерения диэлектрической проницаемости волноводов на основе резонансных фильтров ФСС» . Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах . 21 (5): 273. DOI : 10,1109 / LMWC.2011.2122303 . S2CID 34515302 .
- ^ 5 × 10 −6 / ° C, 1,4 × 10 −6 /% относительной влажности и 100 × 10 −6 / атм соответственно. См . Недорогой интегрированный интерфейс для емкостных датчиков , Али Хейдари, 2010 г., диссертация, стр. 12. ISBN 9789461130136 .
- ^ Лиде, Д.Р., изд. (2005). CRC Справочник по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
- ^ а б AE. Фриш, М. Дж. Фриш, Ф. Р. Клементе, GW Trucks. Справочник пользователя Gaussian 09. Gaussian, Inc .: Walligford, CT, 2009. - стр. 257.
- ^ Lourtioz, J.-M .; и другие. (2005). Фотонные кристаллы: к наноразмерным фотонным устройствам . Springer. С. 121–122. ISBN 978-3-540-24431-8. уравнение (4.6), стр.121
- ^ Lourtioz (2005), уравнения (4.8) - (4.9), стр.122