Относительная диэлектрическая проницаемость

Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε — безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Измерение

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

$\varepsilon_{r} = \frac{C_{x}} {C_{0}}.$

Практическое применение

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.

Ёмкость конденсаторов определяется:

$C = \varepsilon_r \varepsilon_0 \frac S d,$

где ε_r — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε_о — электрическая постоянная, S — площадь обкладок конденсатора, d — расстояние между обкладками.

Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат. Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.

Зависимость от частоты

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 (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях 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 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются. О поведении относительной диэлектрической проницаемости воды в диапазоне частот от 0 до 10¹² (инфракрасная область) можно прочитать на [1] (англ.)

См. также

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

Значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ

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	-	-	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
Барий-стронций титанат	-	-	500
Титанат бария	BaTiO3	(20-120 °C)	1250-10000
Цирконат-титанат свинца	(Pb[ZrxTi1-x]O3, 0<x<1)		500-6000
Сополимеры	-	-	до 100000

Ссылки

• Диэлектрическая проницаемость для различных материалов. В частности, для воздуха — 1,00025
• Характеристики FR-4 на 3—4 ГГц и проблема расчёта импеданса проводников с учётом процесса изготовления печатной платы