Dielektrisk permittivitet av vakuum. Luftpermittivitet som fysisk storhet

Relativ permittivitet miljö ε - dimensionslös fysisk kvantitet karakterisera egenskaperna hos ett isolerande (dielektriskt) medium. Det är kopplat till effekten av polarisering av dielektrika under inverkan av ett elektriskt fält (och med värdet av den dielektriska känsligheten hos mediet som kännetecknar denna effekt). Värdet på ε visar hur många gånger kraften av växelverkan mellan två elektriska laddningar i ett medium är mindre än i vakuum. Den relativa permittiviteten för luft och de flesta andra gaser under normala förhållanden är nära enhet (på grund av deras låga densitet). För de flesta fasta eller flytande dielektrika sträcker sig den relativa permittiviteten från 2 till 8 (för ett statiskt fält). Den dielektriska konstanten för vatten i ett statiskt fält är ganska hög - cirka 80. Dess värden är stora för ämnen med molekyler som har en stor elektrisk dipol. Den relativa permittiviteten för ferroelektrik är tiotals och hundratusentals.

Praktisk användning

Dielektrikas permittivitet är en av huvudparametrarna i konstruktionen av elektriska kondensatorer. Användningen av material med en hög dielektricitetskonstant kan avsevärt minska kondensatorernas fysiska dimensioner.

Parameter permittivitet beaktas vid design av kretskort. Värdet på ämnets dielektriska konstant mellan skikten i kombination med dess tjocklek påverkar värdet av den naturliga statiska kapacitansen hos kraftskikten och påverkar också avsevärt vågmotståndet hos ledarna på kortet.

Frekvensberoende

Det bör noteras att permittiviteten i hög grad beror på frekvensen elektromagnetiskt fält. Detta bör alltid beaktas, eftersom handbokstabeller vanligtvis innehåller data för ett statiskt fält eller låga frekvenser upp till flera enheter kHz utan att specificera Detta faktum. Samtidigt finns det också optiska metoder för att erhålla den relativa permittiviteten från brytningsindex med hjälp av ellipsometrar och refraktometrar. Värdet som erhålls med den optiska metoden (frekvens 10 14 Hz) kommer att skilja sig väsentligt från data i tabellerna.

Tänk till exempel på fallet med vatten. I fallet med ett statiskt fält (frekvensen är noll) är den relativa permittiviteten under normala förhållanden ungefär 80. Detta är fallet upp till infraröda frekvenser. Startar runt 2 GHz εr börjar falla. I det optiska området εrär cirka 1,8. Detta överensstämmer med det faktum att vattens brytningsindex i det optiska området är 1,33. I ett smalt frekvensområde, kallat optiskt, sjunker dielektrisk absorption till noll, vilket faktiskt ger en person en synmekanism i jordens atmosfär mättad med vattenånga. FRÅN ytterligare tillväxt frekvens ändras mediets egenskaper igen.

Dielektriska konstanta värden för vissa ämnen

DIELEKTRISKA PERMEABILITET, värdet på ε, som kännetecknar polariseringen av dielektrikum under inverkan av ett elektriskt fält med styrka E. Dielektricitetskonstanten ingår i Coulombs lag som en storhet som visar hur många gånger kraften av växelverkan mellan två fria laddningar i ett dielektrikum är mindre än i vakuum. Försvagningen av interaktionen uppstår på grund av screeningen av fria laddningar av de bundna laddningarna som bildas som ett resultat av mediets polarisering. Bundna laddningar uppstår som ett resultat av en mikroskopisk rumslig omfördelning av laddningar (elektroner, joner) i ett elektriskt neutralt medium som helhet.

Kopplingen mellan polarisationsvektorerna P, den elektriska fältstyrkan E och den elektriska induktionen D i ett isotropiskt medium i SI-systemet av enheter har formen:

där ε 0 är en elektrisk konstant. Värdet på permittiviteten ε beror på strukturen och kemisk sammansättningämnen, samt tryck, temperatur och annat yttre förhållanden(tabell).

För gaser är dess värde nära 1, för vätskor och fasta ämnen varierar det från flera enheter till flera tiotal, för ferroelektrik kan det nå 10 4 . En sådan spridning av värdena på ε beror på olika polarisationsmekanismer som äger rum i olika dielektrikum.

Den klassiska mikroskopiska teorin leder till ett ungefärligt uttryck för permittiviteten hos opolära dielektrika:

där n i är koncentrationen av den i:te typen av atomer, joner eller molekyler, α i är deras polariserbarhet, β i är den så kallade interna fältfaktorn, på grund av de strukturella egenskaperna hos en kristall eller substans. För de flesta dielektrika med permittivitet som sträcker sig från 2-8 är β = 1/3. Vanligtvis är permittiviteten praktiskt taget oberoende av storleken på det pålagda elektriska fältet fram till det elektriska genombrottet av dielektrikumet. De höga värdena för ε för vissa metalloxider och andra föreningar beror på särdragen i deras struktur, vilket möjliggör, under inverkan av fältet E, den kollektiva förskjutningen av subgitter av positiva och negativa joner i motsatta riktningar och bildning av signifikanta bundna laddningar vid kristallgränsen.

Processen med dielektrisk polarisering när ett elektriskt fält appliceras utvecklas inte omedelbart, utan under en viss tid τ (avslappningstid). Om fältet E ändras i tiden t enligt en harmonisk lag med en frekvens ω, så hinner inte polariseringen av dielektrikumet följa den, och en fasskillnad δ uppstår mellan svängningarna P och E. När vi beskriver oscillationerna P och E med metoden för komplexa amplituder, representeras permittiviteten av ett komplext värde:

ε = ε’ + iε",

dessutom beror ε' och ε" på ω och τ, och förhållandet ε"/ε' = tg δ bestämmer de dielektriska förlusterna i mediet. Fasförskjutningen δ beror på förhållandet τ och fältperioden Т = 2π/ω. Vid 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 (höga frekvenser) polarisationen hänger inte med förändringen i Ε, δ → π och ε' i detta fall betecknar ε (∞) (polarisationsmekanismen är "av"). Uppenbarligen, ε (0) > ε (∞) , och in variabla fält permittiviteten visar sig vara en funktion av ω. Nära ω = l/τ ändras ε' från ε (0) till ε (∞) (spridningsregion), och beroendet tgδ(ω) passerar genom ett maximum.

Typen av beroenden ε'(ω) och tgδ(ω) i dispersionsområdet bestäms av polarisationsmekanismen. När det gäller joniska och elektroniska polarisationer med en elastisk förskjutning av bundna laddningar har förändringen i P(t) med en stegvis inkludering av fältet E karaktären av dämpade svängningar, och beroenden ε'(ω) och tgδ(ω) kallas resonant. I fallet med orienterande polarisering är etableringen av P(t) exponentiell, och beroenden ε'(ω) och tgδ(ω) kallas relaxation.

Metoder för att mäta den dielektriska polarisationen är baserade på fenomenet med interaktionen av ett elektromagnetiskt fält med de elektriska dipolmomenten för materipartiklar och är olika för olika frekvenser. De flesta av metoderna vid ω ≤ 10 8 Hz är baserade på processen att ladda och ladda ur en mätkondensator fylld med det undersökta dielektrikumet. Vid högre frekvenser används vågledare, resonans, multifrekvens och andra metoder.

I vissa dielektrika, till exempel ferroelektriska, är det proportionella förhållandet mellan P och Ε [P = ε 0 (ε – 1)E] och följaktligen mellan D och E redan brutet i vanliga elektriska fält som uppnås i praktiken. Formellt beskrivs detta som beroendet ε(Ε) ≠ const. I det här fallet är en viktig elektrisk egenskap hos dielektriket den differentiella permittiviteten:

I olinjär dielektrik mäts värdet på ε diff vanligtvis i svaga växelfält med samtidig påläggning av en stark konstant fält, och den variabla komponenten ε diff kallas den reversibla permittiviteten.

Belyst. se vid st. Dielektrik.

• bestämning av styrkan hos det elektriska fältet i vakuum;
• ingår i uttrycken för vissa elektromagnetismlagar, inklusive Coulombs lag, när den är skriven i en form som motsvarar International System of Units.

Genom dielektricitetskonstanten görs en koppling mellan den relativa och absoluta permittiviteten. Det finns också med i uppteckningen av Coulombs lag:

se även

Anteckningar

Litteratur

Länkar

Wikimedia Foundation. 2010 .

Se vad "dielektricitetskonstanten" är i andra ordböcker:

dielektrisk konstant- dielektrisk konstant - [Ya.N. Luginsky, M.S. Fezi Zhilinskaya, Yu.S. Kabirov. English Russian Dictionary of Electrical Engineering and Power Industry, Moskva, 1999] Elektroteknikämnen, grundläggande begrepp Synonymer dielektricitetskonstant ... ...

- (beteckning e0), en fysisk storhet som anger förhållandet mellan kraften som verkar mellan elektriska laddningar i vakuum och storleken på dessa laddningar och avståndet mellan dem. Ursprungligen kallades denna indikator DIELECTRIC ... ... Vetenskaplig och teknisk encyklopedisk ordbok

dielektrisk konstant- absolut permittivitet (för en isotrop substans); industri dielektrisk konstant Skalär kvantitet karakteriserande elektriska egenskaper dielektriska och lika med förhållandet elektrisk förskjutning i den till spänning ......

dielektrisk konstant- dielektrinė skvarba statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. dielektrisk konstant; permittivitet vok. dielektrische Leitfähigkeit, f; Dielektrizitätskonstante, f; Permittivität, f rus. dielektrisk konstant, f; permittivitet … Fizikos terminų žodynas

Föråldrat namn för permittivitet (se dielektrisk konstant) ... Stora sovjetiska encyklopedien

Dielektrisk konstant ε för vissa vätskor (vid 20°C)- Lösningsmedel ε Aceton 21,5 Bensen 2,23 Vatten 81,0 ... Kemisk referens

initial dielektricitetskonstant- — [Ya.N. Luginsky, M.S. Fezi Zhilinskaya, Yu.S. Kabirov. English Russian Dictionary of Electrical Engineering and Power Engineering, Moskva, 1999] Elektroteknikämnen, grundläggande begrepp EN initial dielektrisk konstant ... Teknisk översättarhandbok

relativ dielektricitetskonstant- — [Ya.N. Luginsky, M.S. Fezi Zhilinskaya, Yu.S. Kabirov. English Russian Dictionary of Electrical Engineering and Power Engineering, Moskva, 1999] Ämnen inom elektroteknik, grundläggande begrepp EN relativ permittivitetrelativ dielektricitetskonstant ... Teknisk översättarhandbok

specifik dielektricitetskonstant- — [Ya.N. Luginsky, M.S. Fezi Zhilinskaya, Yu.S. Kabirov. English Russian Dictionary of Electrical Engineering and Power Industry, Moskva, 1999] Elektroteknikämnen, grundläggande begrepp EN simultan utbytesförmågaSIC ... Teknisk översättarhandbok

dielektriska konstanten- absolut permittivitet; industri dielektrisk permittivitet En skalär storhet som karakteriserar de elektriska egenskaperna hos ett dielektrikum lika med förhållandet mellan storleken på den elektriska förskjutningen och storleken på den elektriska fältstyrkan ... Yrkeshögskoleterminologiskt förklarande ordbok

DELEKTRISKA KONSTANTEN (dielektrisk konstant) är en fysikalisk storhet som kännetecknar ett ämnes förmåga att minska krafterna från elektrisk interaktion i detta ämne jämfört med vakuum. Således visar D. p. hur många gånger krafterna för elektrisk interaktion i materia är mindre än i vakuum.

D. p. - en egenskap som beror på strukturen hos den dielektriska substansen. Elektroner, joner, atomer, molekyler eller deras enskilda delar och större sektioner av något ämne i ett elektriskt fält är polariserade (se Polarisering), vilket leder till partiell neutralisering av det yttre elektriska fältet. Om frekvensen av det elektriska fältet står i proportion till ämnets polarisationstid, då in visst intervall frekvenser, finns det en spridning av D. p., d.v.s. beroendet av dess storlek på frekvensen (se Dispersion). Ett ämnes DP beror både på atomernas och molekylernas elektriska egenskaper och på deras inbördes arrangemang, det vill säga på ämnets struktur. Därför används definitionen av D. p. eller dess förändringar beroende på de omgivande förhållandena i studiet av strukturen hos ett ämne, och i synnerhet olika vävnader i kroppen (se Elektrisk ledningsförmåga hos biologiska system).

Olika ämnen (dielektriska), beroende på deras struktur och aggregationstillstånd, har olika värden på D. p. (tabell).

Tabell. Värdet av permittiviteten för vissa ämnen

Av särskild betydelse för medicinsk - biol, forskning är studiet av D. och. i polära vätskor. Deras typiska representant är vatten, som består av dipoler som är orienterade i ett elektriskt fält på grund av interaktionen mellan laddningarna av dipolen och fältet, vilket leder till uppkomsten av en dipol eller orienterande polarisering. Det höga värdet på D. p. vatten (80 vid t ° 20 °) avgör en hög grad dissociation i den av olika kemikalier. ämnen och god löslighet av salter, to-t, baser och andra föreningar (se Dissociation, Elektrolyter). Med en ökning av koncentrationen av elektrolyten i vatten minskar värdet på dess DP (till exempel för monovalenta elektrolyter minskar DP av vatten med en med en ökning av saltkoncentrationen med 0,1 M).

Majoriteten av biol, objekt tillhör heterogena dielektrika. Vid interaktion av joner biol, objekt med ett elektriskt fält polarisering av gränserna för sektionen har väsentligt värde (se. Membraner biologiska). Storleken på polarisationen är ju större, desto lägre frekvens är det elektriska fältet. Eftersom polariseringen av gränssnitten biol, objektet beror på deras permeabilitet (se) för joner, är det uppenbart att den effektiva D. p. Mer bestäms av membranens tillstånd.

Eftersom polariseringen av ett så komplext heterogent objekt som ett biologiskt har en annan natur (koncentration, makrostrukturell, orienterande, jonisk, elektronisk, etc.), blir det tydligt att med ökande frekvens, förändringen i D. p. (dispersion) skarpt uttryckt. Konventionellt finns det tre regioner av D. dispersion dispersion: alfa dispersion (vid frekvenser upp till 1 kHz), beta dispersion (frekvens från flera kHz till tiotals MHz) och gamma dispersion (frekvenser över 10 9 Hz); i biol, objekt finns det vanligtvis ingen tydlig gräns mellan spridningsområdena.

Vid försämring funkts, uppger biol, objekt D:s dispersion av föremålet på låga frekvenser minskar ner till fullständigt försvinnande(när vävnader dör). Vid höga frekvenser ändras inte storleken på D. p. nämnvärt.

D.p. mäts över ett brett frekvensområde och beroende på frekvensområdet ändras också mätmetoderna avsevärt. På frekvenser elektrisk ström mindre än 1 Hz görs mätningen med metoden att ladda eller ladda ur en kondensator fylld med testämnet. Genom att känna till beroendet av laddnings- eller urladdningsströmmen i tid är det möjligt att bestämma inte bara värdet på kondensatorns elektriska kapacitans, utan också förlusterna i den. Vid frekvenser från 1 till 3 10 8 Hz för D:s mätning och. tillämpa speciella resonans- och bryggmetoder som gör det möjligt att undersöka i en komplex förändringar D. av föremålet. olika ämnen mest kompletta och mångsidiga.

Inom medicinsk - biol använder forskare oftast symmetriska bryggor av växelström med direkt avläsning av de uppmätta storlekarna.

Bibliografi: Högfrekvent uppvärmning av dielektrikum och halvledare, red. A.V. Netushila, M. - L., 1959, bibliografi; Med edunov B. I. och Fran to-K och me-n av e c to och y D. A. Dielektricitetskonstant för biologiska objekt, Usp. fysisk Sciences, vol. 79, c. 4, sid. 617, 1963, bibliogr.; Elektronik och cybernetik i biologi och medicin, övers. från engelska, red. P.K. Anokhin, sid. 71, M., 1963, bibliogr.; Em F. Dielektriska mätningar, trans. från German., M., 1967, bibliogr.

Dielektricitetskonstanten- detta är en av huvudparametrarna som kännetecknar de elektriska egenskaperna hos dielektrikum. Det avgör med andra ord hur bra en isolator ett visst material är.

Värdet på permittiviteten visar beroendet av den elektriska induktionen i dielektrikumet på styrkan hos det elektriska fältet som verkar på det. Samtidigt påverkas dess värde inte bara fysikaliska egenskaper själva materialet eller mediet, men också fältets frekvens. Som regel anger referensböcker det uppmätta värdet för ett statiskt eller lågfrekvent fält.

Det finns två typer av permittivitet: absolut och relativ.

Relativ permittivitet visar förhållandet mellan de isolerande (dielektriska) egenskaperna hos materialet som studeras och liknande egenskaper hos vakuum. Det kännetecknar de isolerande egenskaperna hos ett ämne i gasformigt, flytande eller fast tillstånd. Det vill säga, det är tillämpligt på nästan all dielektrikum. Värdet på den relativa permittiviteten för ämnen i gasformigt tillstånd, som regel, är i omfördelningen 1. För vätskor och fasta ämnen det kan vara i mycket vida gränser - från 2 och nästan till oändligt.

Till exempel den relativa permittiviteten färskvatten lika med 80, och ferroelektrik - tiotals eller till och med hundratals enheter, beroende på materialets egenskaper.

Absolut permittivitet är ett konstant värde. Det karakteriserar de isolerande egenskaperna hos ett visst ämne eller material, oavsett dess placering och yttre faktorer som påverkar det.

Användande

Permittiviteten, eller snarare dess värden, används vid utveckling och design av nya elektroniska komponenter, i synnerhet kondensatorer. Komponentens framtida dimensioner och elektriska egenskaper beror på dess värde. Detta värde tas också med i beräkningen när man utvecklar helhet elektriska kretsar(särskilt inom högfrekvent elektronik) och till och med