Constanta dielectrică a vidului. Constanta dielectrică a aerului ca mărime fizică

Constanta dielectrica relativa mediu ε - adimensional cantitate fizica, care caracterizează proprietățile mediului izolator (dielectric). Este asociată cu efectul de polarizare a dielectricilor sub influența unui câmp electric (și cu valoarea susceptibilității dielectrice a mediului care caracterizează acest efect). Valoarea ε arată de câte ori forța de interacțiune dintre două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Constanta dielectrică relativă a aerului și a majorității celorlalte gaze în condiții normale este aproape de unitate (datorită densității lor scăzute). Pentru majoritatea dielectricilor solizi sau lichidi, permitivitatea relativă variază de la 2 la 8 (pentru un câmp static). Constanta dielectrică a apei într-un câmp static este destul de mare - aproximativ 80. Valorile sale sunt ridicate pentru substanțele cu molecule care au un dipol electric mare. Constanta dielectrică relativă a feroelectricilor este de zeci și sute de mii.

Uz practic

Constanta dielectrică a dielectricilor este unul dintre principalii parametri în proiectarea condensatoarelor electrice. Utilizarea materialelor cu constantă dielectrică ridicată poate reduce semnificativ dimensiunile fizice ale condensatoarelor.

Parametru constantă dielectrică luate în considerare la dezvoltarea plăcilor de circuite imprimate. Valoarea constantei dielectrice a substanței dintre straturi, în combinație cu grosimea acesteia, afectează valoarea capacității statice naturale a straturilor de putere și, de asemenea, afectează semnificativ impedanța caracteristică a conductorilor de pe placă.

Dependenta de frecventa

Trebuie remarcat faptul că constanta dielectrică depinde în mare măsură de frecvență câmp electromagnetic. Acest lucru ar trebui să fie întotdeauna luat în considerare, deoarece tabelele de referință conțin de obicei date pentru un câmp static sau frecvențe joase până la câteva unități de kHz fără a specifica Acest lucru. În același timp, există metode optice de obținere a constantei dielectrice relative pe baza indicelui de refracție folosind elipsometre și refractometre. Valoarea obținută prin metoda optică (frecvență 10-14 Hz) va diferi semnificativ de datele din tabele.

Luați în considerare, de exemplu, cazul apei. În cazul unui câmp static (frecvență zero), constanta dielectrică relativă în condiții normale este de aproximativ 80. Acesta este cazul până la frecvențele infraroșii. Începând de la aproximativ 2 GHz ε rîncepe să cadă. În domeniul optic ε r este de aproximativ 1,8. Acest lucru este destul de consistent cu faptul că în domeniul optic indicele de refracție al apei este de 1,33. Într-o gamă de frecvență îngustă, numită optică, absorbția dielectrică scade la zero, ceea ce oferă de fapt unei persoane mecanismul vizual în atmosfera pământului saturat cu vapori de apă. CU creștere în continuare proprietățile de frecvență ale mediului se schimbă din nou.

Valori constante dielectrice pentru unele substanțe

CONTINUITATEA DIELECTRICĂ, o valoare ε care caracterizează polarizarea dielectricilor sub influența unui câmp electric de putere E. Constanta dielectrică este inclusă în legea lui Coulomb ca mărime care arată de câte ori forța de interacțiune între două sarcini libere într-un dielectric este mai mică decât în vid. Slăbirea interacțiunii se produce datorită ecranării încărcăturilor libere de către cele legate formate ca urmare a polarizării mediului. Sarcinile legate apar ca rezultat al redistribuirii spațiale microscopice a sarcinilor (electroni, ioni) într-un mediu în general neutru din punct de vedere electric.

Relația dintre vectorii de polarizare P, intensitatea câmpului electric E și inducția electrică D într-un mediu izotrop din sistemul SI are forma:

unde ε 0 este constanta electrică. Valoarea constantei dielectrice ε depinde de structură și compoziție chimică substanțe, precum și presiune, temperatură și altele conditii externe(masa).

Pentru gaze valoarea sa este apropiată de 1, pentru lichide și solide variază de la câteva unități la câteva zeci, iar pentru feroelectrice poate ajunge la 10 4 . Această împrăștiere a valorilor ε se datorează unor mecanisme de polarizare diferite care apar în dielectrici diferite.

Teoria microscopică clasică conduce la o expresie aproximativă pentru constanta dielectrică a dielectricilor nepolari:

unde n i este concentrația celui de-al i-lea tip de atomi, ioni sau molecule, α i este polarizabilitatea acestora, β i este așa-numitul factor de câmp intern, datorită caracteristicilor structurale ale cristalului sau substanței. Pentru majoritatea dielectricilor cu o constantă dielectrică în intervalul 2-8, β = 1/3. De obicei, constanta dielectrică este practic independentă de mărimea câmpului electric aplicat până la defalcarea electrică a dielectricului. Valorile ridicate ale ε ale unor oxizi metalici și altor compuși se datorează particularităților structurii lor, care permite, sub influența câmpului E, o deplasare colectivă a subrețelelor de ioni pozitivi și negativi în direcții opuse și formarea unor sarcini legate semnificative la limita cristalului.

Procesul de polarizare a unui dielectric atunci când se aplică un câmp electric nu se dezvoltă instantaneu, ci pe o perioadă de timp τ (timp de relaxare). Dacă câmpul E se modifică în timpul t după o lege armonică cu o frecvență ω, atunci polarizarea dielectricului nu are timp să-l urmeze și apare o diferență de fază δ între oscilațiile P și E. Când se descrie oscilațiile lui P și E folosind metoda amplitudinilor complexe, constanta dielectrică este reprezentată ca o mărime complexă:

ε = ε’ + iε",

în plus, ε' şi ε" depind de ω şi τ, iar raportul ε"/ε' = tan δ determină pierderile dielectrice în mediu. Defazatul δ depinde de raportul τ și de perioada de câmp T = 2π/ω. La τ<< Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >> T (frecvențe înalte), polarizarea nu ține pasul cu schimbarea Ε, δ → π și ε’ în acest caz notează ε (∞) (mecanismul de polarizare este „dezactivat”). Este evident că ε (0) > ε (∞) , iar în câmpuri variabile Constanta dielectrică se dovedește a fi o funcție a lui ω. Aproape de ω = l/τ, ε’ se schimbă de la ε (0) la ε (∞) (regiune de dispersie), iar dependența tanδ(ω) trece printr-un maxim.

Natura dependențelor ε'(ω) și tanδ(ω) în regiunea de dispersie este determinată de mecanismul de polarizare. În cazul ionice şi polarizări electronice cu deplasarea elastică a sarcinilor legate, modificarea în P(t) cu includerea treptată a câmpului E are caracterul de oscilații amortizate și dependențele ε’(ω) și tanδ(ω) se numesc rezonante. În cazul polarizării orientative, stabilirea lui P(t) este exponențială, iar dependențele ε’(ω) și tanδ(ω) se numesc relaxare.

Metodele de măsurare a polarizării dielectrice se bazează pe fenomenele de interacțiune a câmpului electromagnetic cu momentele dipolare electrice ale particulelor de materie și sunt diferite pentru frecvențe diferite. Majoritatea metodelor la ω ≤ 10 8 Hz se bazează pe procesul de încărcare și descărcare a unui condensator de măsurare umplut cu dielectricul studiat. La frecvențe mai mari, se folosesc metode de ghidare de undă, rezonantă, multifrecvență și alte metode.

În unele dielectrice, de exemplu feroelectrice, relația proporțională dintre P și E [P = ε 0 (ε ‒ 1)E] și, în consecință, între D și E este încălcată deja în câmpurile electrice obișnuite realizate în practică. Formal, aceasta este descrisă ca dependența ε(Ε) ≠ const. În acest caz, o caracteristică electrică importantă a dielectricului este constanta dielectrică diferențială:

În dielectricii neliniari, valoarea lui ε diff este de obicei măsurată în câmpuri alternative slabe cu aplicarea simultană a unui puternic câmp constant, iar componenta variabilă ε diff se numește constantă dielectrică reversibilă.

Lit. uita-te la art. Dielectrice.

• determinarea intensității câmpului electric în vid;
• incluse în expresiile unor legi ale electromagnetismului, inclusiv legea lui Coulomb, atunci când sunt scrise într-o formă corespunzătoare Sistemului Internațional de Unități.

Constanta dielectrică asigură o legătură între constanta dielectrică relativă și absolută. Este inclus și în notația legii lui Coulomb:

Vezi si

Note

Literatură

Legături

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „constanta dielectrică” în alte dicționare:

constantă dielectrică- constantă dielectrică - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Dicționar englez-rus de inginerie electrică și inginerie energetică, Moscova, 1999] Subiecte inginerie electrică, concepte de bază Sinonime constantă dielectrică... ...

- (denumirea e0), o mărime fizică care indică raportul dintre forța care acționează între sarcinile electrice în vid cu dimensiunea acestor sarcini și distanța dintre ele. Inițial, acest indicator se numea DIELECTRIC... ... Dicționar enciclopedic științific și tehnic

constantă dielectrică- constanta dielectrica absoluta (pentru o substanta izotropa); industrie constantă dielectrică O mărime scalară care caracterizează proprietăți electrice dielectric şi egal cu raportul deplasare electrică în ea la tensiune... ...

constantă dielectrică- dielektrinė skvarba statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. constantă dielectrică; permisivitatea vok. dielektrische Leitfähigkeit, f; Dielektrizitätskonstante, f; Permittivität, f rus. constanta dielectrică, f; constantă dielectrică ... Fizikos terminų žodynas

Un nume învechit pentru constanta dielectrică (vezi constanta dielectrică) ... Marea Enciclopedie Sovietică

Constanta dielectrică ε pentru unele lichide (la 20°C)- Solvent ε Acetonă 21,5 Benzen 2,23 Apă 81,0 ... Carte de referință chimică

constanta dielectrica initiala- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Dicționar englez-rus de inginerie electrică și inginerie energetică, Moscova, 1999] Subiecte de inginerie electrică, concepte de bază EN constanta dielectrică inițială ... Ghidul tehnic al traducătorului

constantă dielectrică relativă- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Dicționar englez-rus de inginerie electrică și inginerie energetică, Moscova, 1999] Subiecte de inginerie electrică, concepte de bază EN permitivitate relativă constantă dielectrică relativă ... Ghidul tehnic al traducătorului

constantă dielectrică specifică- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Dicționar englez-rus de inginerie electrică și inginerie energetică, Moscova, 1999] Subiecte de inginerie electrică, concepte de bază EN capacitatea de schimb simultanSIC ... Ghidul tehnic al traducătorului

constanta dielectrică- constanta dielectrica absoluta; industrie constantă dielectrică O mărime scalară care caracterizează proprietățile electrice ale unui dielectric, egală cu raportul dintre mărimea deplasării electrice și mărimea intensității câmpului electric... Dicționar terminologic explicativ politehnic

CONSTANTA DIELECTRICA (constantă dielectrică) este o mărime fizică care caracterizează capacitatea unei substanțe de a reduce forțele de interacțiune electrică din această substanță în comparație cu vidul. Astfel, d.p. arată de câte ori forțele interacțiunii electrice dintr-o substanță sunt mai mici decât în ​​vid.

D.p. este o caracteristică care depinde de structura substanței dielectrice. Electronii, ionii, atomii, moleculele sau părțile lor individuale și secțiunile mai mari ale oricărei substanțe dintr-un câmp electric sunt polarizați (vezi Polarizare), ceea ce duce la neutralizarea parțială a câmpului electric extern. Dacă frecvența câmpului electric este proporțională cu timpul de polarizare a substanței, atunci în anumit interval frecvențe, există o dispersie a frecvenței dinamice, adică dependența valorii acesteia de frecvență (vezi Dispersia). Puterea unei substanțe depinde atât de proprietățile electrice ale atomilor și moleculelor, cât și de aranjarea lor relativă, adică de structura substanței. Prin urmare, determinarea conductivității electrice sau a modificărilor acesteia în funcție de condițiile de mediu este utilizată atunci când se studiază structura unei substanțe și în special diferite țesuturi ale corpului (vezi Conductivitatea electrică a sistemelor biologice).

Diferite substanțe (dielectrice), în funcție de structura și starea lor de agregare, au valori diferite ale d.p. (tabel).

Masa. Valoarea constantei dielectrice a unor substanţe

De o importanță deosebită pentru cercetarea biol medicală este studiul lui D. și. în lichide polare. Un reprezentant tipic al acestora este apa, constând din dipoli care sunt orientați într-un câmp electric datorită interacțiunii dintre sarcinile dipolului și câmpului, ceea ce duce la apariția polarizării dipol sau orientaționale. Valoarea mare a presiunii apei (80 la t° 20°) determină grad înalt disocierea diferitelor substanțe chimice din acesta. substanțe și solubilitate bună a sărurilor, compușilor, bazelor și altor compuși (vezi Disocierea, Electroliții). Odată cu creșterea concentrației de electrolit în apă, valoarea DP-ului acestuia scade (de exemplu, pentru electroliții monovalenți, DP-ul apei scade cu unul când concentrația de sare crește cu 0,1 M).

Majoritatea obiectelor biol aparțin unor dielectrici eterogene. Când interacționează ionii unui obiect biologic cu un câmp electric, polarizarea interfețelor este de o importanță semnificativă (vezi Membrane biologice). În acest caz, mărimea polarizării este mai mare, cu atât frecvența câmpului electric este mai mică. Deoarece polarizarea interfețelor unui biol, un obiect depinde de permeabilitatea lor (vezi) pentru ioni, este evident că efectivul D. p. în într-o măsură mai mare determinat de starea membranelor.

Întrucât polarizarea unui astfel de obiect eterogen complex ca unul biologic are o natură diferită (concentrație, macrostructurală, orientare, ionică, electronică etc.), devine clar că, odată cu creșterea frecvenței, modificarea factorului de dispersie (dispersie) este bruscă. exprimat. În mod convențional, se disting trei regiuni de dispersie a frecvenței dinamice: dispersia alfa (la frecvențe de până la 1 kHz), dispersia beta (frecvența de la câțiva kHz la zeci de MHz) și dispersia gamma (frecvențele peste 10 9 Hz); în biol, obiectele nu există de obicei o limită clară între zonele de dispersie.

Cu deteriorare în funcție, stare de biol, obiect, dispersie de D. p. on frecvente joase scade la dispariția completă(cu moartea țesuturilor). La frecvențe înalte, valoarea d.p. nu se modifică semnificativ.

D.p. sunt măsurate într-o gamă largă de frecvențe și, în funcție de intervalul de frecvență, metodele de măsurare se modifică și ele semnificativ. La frecvente curent electric mai mică de 1 Hz, măsurarea se efectuează folosind metoda de încărcare sau descărcare a unui condensator umplut cu substanța de testat. Cunoscând dependența curentului de încărcare sau de descărcare în timp, este posibil să se determine nu numai valoarea capacității electrice a condensatorului, ci și pierderile din acesta. La frecvenţe de la 1 la 3 10 8 Hz pentru măsurarea D. şi. Ele folosesc metode speciale de rezonanță și punte, care fac posibilă studierea cuprinzătoare a modificărilor presiunii dinamice. diverse substanțe cel mai complet și cuprinzător.

În cercetarea medico-biologică se folosesc cel mai adesea punți de curent alternativ simetric cu citirea directă a cantităților măsurate.

Bibliografie:Încălzirea de înaltă frecvență a dielectricilor și semiconductorilor, ed. A. V. Netushila, M. -L., 1959, bibliogr.; S Edunov B. I. și Fran k-K a m e-n e c k și y D. A. Constanta dielectrică a obiectelor biologice, Usp. fizic Științe, vol. 79, v. 4, p. 617, 1963, bibliogr.; Electronică și cibernetică în biologie și medicină, trad. din engleză, ed. P.K. Anokhina, p. 71, M., 1963, bibliogr.; E m e F. Măsurători dielectrice, trans. din germană, M., 1967, bibliogr.

Constanta dielectrică- acesta este unul dintre principalii parametri care caracterizează proprietățile electrice ale dielectricilor. Cu alte cuvinte, determină cât de bun este un izolator un anumit material.

Valoarea constantei dielectrice arată dependența inducției electrice în dielectric de intensitatea câmpului electric care acționează asupra acestuia. Mai mult, valoarea sa este influențată nu numai proprietăți fizice materialul sau mediul în sine, dar și frecvența câmpului. De regulă, cărțile de referință indică valoarea măsurată pentru un câmp static sau de joasă frecvență.

Există două tipuri de constante dielectrică: absolută și relativă.

Constanta dielectrica relativa arată raportul dintre proprietățile izolatoare (dielectrice) ale materialului studiat și proprietățile similare ale vidului. Caracterizează proprietățile izolante ale unei substanțe în stare gazoasă, lichidă sau solidă. Adică este aplicabil aproape tuturor dielectricilor. Valoarea constantei dielectrice relative pentru substanțele din stare gazoasă, de regulă, este în intervalul 1. Pentru lichide și solide poate fi în limite foarte largi - de la 2 la aproape infinit.

De exemplu, constanta dielectrică relativă apa dulce este egal cu 80, iar pentru feroelectrice – zeci sau chiar sute de unități, în funcție de proprietățile materialului.

Constanta dielectrica absoluta este o valoare constantă. Caracterizează proprietățile izolante ale unei anumite substanțe sau material, indiferent de locația acesteia și de factorii externi care o afectează.

Utilizare

Constanta dielectrică, sau mai degrabă valorile sale, sunt utilizate în dezvoltarea și proiectarea de noi componente electronice, în special condensatoare. Dimensiunile viitoare și caracteristicile electrice ale componentei depind de valoarea acesteia. Această valoare este luată în considerare și la dezvoltarea întregului scheme electrice(mai ales în electronica de înaltă frecvență) și chiar