Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Относительные диэлектрические проницаемости некоторых материалов при комнатной температуре ниже 1 кГц
Материалε r
Вакуум1 (по определению)
Воздуха1.000 589 86 ± 0.000 000 50
(при STP , 900 кГц), [1]
ПТФЭ / тефлон2.1
Полиэтилен / XLPE2,25
Полиимид3,4
Полипропилен 2,2–2,36
Полистирол 2,4–2,7
Сероуглерод2,6
Майлар3.1 [2]
Бумага , полиграфия1,4 [3] (200  кГц)
Электроактивные полимеры 2–12
Слюда3–6 [2]
Диоксид кремния3,9 [4]
Сапфир8.9–11.1 (анизотропный) [5]
Конкретный4.5
Pyrex ( стекло )4,7 (3,7–10)
Неопрен6,7 [2]
Резинка7
Алмаз 5,5–10
Соль 3–15
Графитовый 10–15
Резинка2,9–4 [6]
Кремний11,68
GaAs12,4 [7]
Нитрид кремния7–8 (поликристаллический, 1 МГц) [8] [9]
Аммиак 26, 22, 20, 17 (−80, −40, 0, +20 ° С)
Метанол30
Этиленгликоль37
Фурфурол42,0
Глицерин 41,2, 47, 42,5 (0, 20, 25 ° С)
Вода87,9, 80,2, 55,5
(0, 20, 100 ° C) [10]
для видимого света: 1,77
Плавиковая кислота175, 134, 111, 83,6
(-73, -42, -27, 0 ° С),
Гидразин52,0 (20 ° С),
Формамид84,0 (20 ° С)
Серная кислота 84–100 (20–25 ° С)
Пероксид водорода128 водный –60
(–30–25 ° C)
Синильная кислота 158,0–2,3 (0–21 ° С)
Оксид титана 86–173
Титанат стронция310
Титанат бария-стронция500
Титанат бария [11] 1200–10 000 (20–120 ° C)
Цирконат титанат свинца 500–6000
Конъюгированные полимеры1,8–6 до 100 000 [12]
Титанат кальция и меди> 250 000 [13]
Температурная зависимость относительной статической диэлектрической проницаемости воды

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 , термин, который все еще используется, но не рекомендуется организациями по стандартизации в инженерии [14], а также в химии. [15]

Определение [ править ]

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 нулевой частоты известна как его статическая относительная диэлектрическая проницаемость .

Терминология [ править ]

Исторический термин относительной диэлектрической проницаемости - диэлектрическая проницаемость . Он до сих пор 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 [ править ]

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.

Низкочастотные диэлектрические проницаемости некоторых распространенных растворителей
РастворительДиэлектрическая постояннаяТемпература (K)
бензол2.3298
диэтиловый эфир4.3293
тетрагидрофуран (THF)7,6298
дихлорметан9.1293
жидкий аммиак17273
этиловый спирт24,3298
метанол32,7298
нитрометан35,9303
диметилформамид (ДМФ)36,7298
ацетонитрил37,5293
воды78,4298
формамид109293

Измерение [ править ]

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-зависимой ε r диэлектриков можно найти в этом библиографическом источнике. [20] В качестве альтернативы, эффекты на основе резонанса могут использоваться на фиксированных частотах. [21]

Приложения [ править ]

Энергия [ править ]

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.

Связь [ править ]

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 преломленияматериала и, следовательно, также оптических режимов 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 изменяется в зависимости от температуры, влажности и барометрического давления. [22] Датчики могут быть сконструированы для обнаружения изменений емкости, вызванных изменениями относительной диэлектрической проницаемости. По большей части это изменение происходит из-за воздействия температуры и влажности, поскольку барометрическое давление довольно стабильно. Используя изменение емкости вместе с измеренной температурой, можно получить относительную влажность, используя инженерные формулы.

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, 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 х р от 9,08 (20 ° C) и достаточно плохо растворит 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 она тоже полярная ( в этом случае электронная поляризуемость превалирует над ориентационной).

Среда с потерями [ править ]

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 мигрирующими носителями заряда, а также 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 [ править ]

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]

См. Также [ править ]

  • 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)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Гектор, LG; Шульц, HL (1936). «Диэлектрическая проницаемость воздуха при радиочастотах». Физика . 7 (4): 133–136. Bibcode : 1936Physi ... 7..133H . DOI : 10.1063 / 1.1745374 .
  2. ^ а б в Янг, 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.
  3. ^ 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.
  4. ^ Грей, PR; Hurst, PJ; Льюис, SH; Мейер, Р.Г. (2009). Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем (5-е изд.). Вайли. п. 40. ISBN 978-0-470-24599-6.
  5. ^ 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 .
  6. ^ «Свойства силиконового каучука» . Азо материалы.
  7. ^ Фокс, Марк (2010). Оптические свойства твердых тел (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . п. 283. ISBN. 978-0199573370.
  8. ^ "Прекрасная керамика" (PDF) . Материалы Toshiba .
  9. ^ «Таблицы свойств материалов» (PDF) . Керамическая промышленность . 2013.
  10. ^ 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 .
  11. ^ «Разрешающая способность» . school.matter.org.uk . Архивировано из оригинала на 2016-03-11.
  12. Перейти ↑ Pohl, HA (1986). «Гигантская поляризация в высокополимерах». Журнал электронных материалов . 15 (4): 201. Bibcode : 1986JEMat..15..201P . DOI : 10.1007 / BF02659632 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ a b c Совет по стандартам IEEE (1997). «Стандартные определения терминов IEEE для распространения радиоволн» . п. 6.
  15. ^ 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 .  
  16. ^ а б Линфенг Чен и Виджай К. Варадан (2004). Электроника СВЧ: измерения и характеристики материалов . Джон Уайли и сыновья. п. 8, уравнение (1.15). DOI : 10.1002 / 0470020466 . ISBN 978-0-470-84492-2.
  17. ^ Король, Ронольд WP (1963). Фундаментальная электромагнитная теория . Нью-Йорк: Дувр. п. 139.
  18. ^ a b Джон Дэвид Джексон (1998). Классическая электродинамика (Третье изд.). Нью-Йорк: Вили. п. 154 . ISBN 978-0-471-30932-1.
  19. ^ Мура, Gerard A. (2006). «Оптика в релятивистском режиме». Обзоры современной физики . 78 (2): 309. Bibcode : 2006RvMP ... 78..309M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.78.309 .
  20. ^ Куек, CheeYaw. «Измерение свойств диэлектрических материалов» (PDF) . R&S.
  21. ^ Коста, Ф .; Amabile, C .; Monorchio, A .; Прати, Э. (2011). «Методика измерения диэлектрической проницаемости волноводов на основе резонансных ФСС-фильтров» . Письма IEEE о микроволновых и беспроводных компонентах . 21 (5): 273. DOI : 10,1109 / LMWC.2011.2122303 . S2CID 34515302 . 
  22. ^ 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 . 
  23. ^ Лиде, DR, изд. (2005). Справочник CRC по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  24. ^ а б AE. Фриш, М. Дж. Фриш, Ф. Р. Клементе, GW Trucks. Справочник пользователя Gaussian 09. Gaussian, Inc .: Walligford, CT, 2009. - стр. 257.
  25. ^ 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
  26. ^ Lourtioz (2005), уравнения (4.8) - (4.9), стр.122