Диэлектрическая проницаемость в чем измеряется
Перейти к содержимому

Диэлектрическая проницаемость в чем измеряется

  • автор:

Диэлектрическая проницаемость: что это такое, формула, таблица

В этой статье мы расскажем о самых важных вещах, связанных с диэлектрической проницаемостью. Среди прочего, вы узнаете о важных ролях, которые она играет, и о её типичных значениях.

Простое объяснение

В повседневной жизни вы сталкиваетесь с различными веществами, такими как металлы, вода или кислород. Каждое из этих веществ по-разному реагирует на электрические поля.

Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная или абсолютная диэлектрическая проницаемость) ε описывает способность материала к поляризации электрическими полями и определяется следующим образом: ε = εr * ε0 .

Здесь εr — относительная проницаемость, а ε0 — электрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость вакуума).

Если понимать значение термина «проницаемость» буквально, то это мера того, насколько сильно материя «пропускает» электрическое поле. Поэтому проницаемость можно рассматривать как меру того, насколько материя может быть поляризована.

Диэлектрическая проницаемость вакуума

Особую роль играет диэлектрическая проницаемость вакуума (также называемая проницаемостью вакуума). В этом разделе мы расскажем вам о значении и единицах измерения проницаемости вакуума, о том, как она связана с другими константами, и о ее значении в контексте других важных законов.

Числовое значение и единица измерения

Диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 имеет значение 8,85418781762039 * 10 -12 или 8.85 * 10 -12 , что более практично для расчетов. Единицей измерения константы является [ Ф·м −1 ] или если выражать через основные единицы СИ [ м −3 ·кг −1 ·с 4 ·А 2 ].

Взаимосвязь с другими константами

Существует замечательная связь между электрической постоянно ε0, магнитной постоянно μ‎0 и скоростью света в вакууме с0. То есть верно следующее соотношение: c0 2 = 1 / ε0 * μ‎0 .

До 2019 года это уравнение точно определяло значение постоянной электрического поля. Однако в ходе пересмотра ситуация изменилась, и с 20 мая 2019 года как электрическая постоянная, так и магнитная постоянная имеют определенную погрешность измерения.

Это уравнение было первым указанием на то, что свет может быть электромагнитной волной.

Закон Кулона и электрический потенциал

Помимо связи со скоростью света, электрическая постоянная фигурирует в других важных законах электродинамики. К ним относятся, например:

    :
    : φ ( r ) = q / 4 * π * ε0 * r .

В частности, закон Кулона является основой электростатики, поэтому константа электрического поля также имеет большое значение.

Диэлектрическая проницаемость: общий случай

В этом разделе мы рассмотрим общий случай. Мы объясним физический смысл абсолютной диэлектрической проницаемости с помощью электроизоляционных материалов и объясним, что такое относительная диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

В электроизолирующих материалах (диэлектриках) электрические заряды связаны с атомами или молекулами. Поэтому они могут лишь немного перемещаться внутри атомов или молекул. Электрическое поле может изменить распределение заряда в диэлектрике двумя важными способами: деформацией и вращением. Даже если отдельные электрические заряды могут двигаться незначительно, совокупность всех движений определяет поведение электроизоляционного материала.

Поляризация

В зависимости от того, состоит ли материал из полярных или неполярных молекул, реакция на внешнее электрическое поле различна. С неполярной молекулой происходит растягивание (деформация), при котором поле индуцирует дипольный момент в каждой молекуле материала. Все эти дипольные моменты направлены в ту же сторону, что и электрическое поле.

В полярной молекуле, с другой стороны, происходит вращение, так что и здесь все дипольные моменты направлены в сторону электрического поля. В целом внешнее электрическое поле вызывает образование в материале большого количества диполей, все из которых ориентированы в том же направлении, что и внешнее поле. Таким образом, материал поляризуется. Поляризация P описывает, сколько дипольных моментов приходится на единицу объема материала.

Поляризация за счет деформации и вращения

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

Таким образом, поляризация диэлектрика вызывается электрическим полем. Возникающие направленные дипольные моменты, в свою очередь, создают электрическое поле, противодействующее внешнему полю. Таким образом, это противоположное поле ослабляет внешнее поле. В целом, связь между поляризацией и внешним электрическим полем сложная. Для многих веществ, так называемых линейных диэлектриков, поляризация пропорциональна полю. Применяется следующее соотношение:

P = ε0 * χ * E , где

Здесь ε0 — электрическая постоянная, а χ — электрическая поляризуемость. Электрическое поле E в этом уравнении является полным полем. Поэтому причиной этого могут быть частично свободные заряды и частично сама поляризация.. Свободные заряды — это все те носители заряда, которые не являются результатом поляризации. Таким образом, это полное электрическое поле очень трудно рассчитать, поскольку мы обычно не имеем информации о распределении поляризационных зарядов.

Для справки: χ — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды.

Википедия

Электрическая индукция

Чтобы иметь возможность рассчитать электрическое поле даже в присутствии диэлектрика, вводится электрическая индукция D. В линейной среде: D = ε0 * E + P = ε0 * E + ε0 * χe * E = ε0 * ( 1 + χe ) * E и поэтому D также пропорциональна E .

Если вы объедините константы вместе ε = ε0 * ( 1 + χe ), то получится: D = ε * E .

Постоянная ε и называется диэлектрической проницаемостью.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Величина: εr = 1 + χe = ε / ε0 называется относительной проницаемостью (также относительной диэлектрической проницаемостью). С его помощью полное электрическое поле в присутствии диэлектрика определяется следующим образом: E = D / ε = D / εr * ε0 .

При постоянной электрической индукции относительная проницаемость, таким образом, определяет, насколько сильно ослабляется электрическое поле. Чем больше относительная проницаемость, тем больше ослабляется электрическое поле и, следовательно, уменьшается общая напряженность электрического поля.

Термин относительная проницаемость может привести к неправильному пониманию того, что относительная проницаемость для данного материала является константой. На самом деле, относительная проницаемость зависит от многих факторов. Среди них:

  • температура материала;
  • частота внешнего электрического поля;
  • напряженность внешнего электрического поля.

Для некоторых материалов относительная проницаемость дополнительно зависит от направления. Следовательно, в случае таких материалов это не просто число, а часто тензор второго порядка.

Особенно наглядную иллюстрацию влияния диэлектриков с разной относительной проницаемостью можно получить, поместив диэлектрик между двумя пластинами конденсатора. Если измерить электрическое напряжение на конденсаторе до и после введения диэлектрика, то можно обнаружить, что напряжение на конденсаторе уменьшается ровно на величину εr относительной диэлектрической проницаемости. Это следует непосредственно из уравнения: E = U / d для величины электрического поля между пластинами конденсатора, расположенными на расстоянии d друг от друга. Это также иллюстрирует, почему εr называется относительной проницаемостью. Напряжение на конденсаторе уменьшается на коэффициент εr за счет введения диэлектрика, по сравнению со случаем, когда между пластинами только вакуум.

Относительные диэлектрические проницаемости отдельных материалов

Наконец, мы приводим таблицу с типичными значениями относительной диэлектрической проницаемости (относительной диэлектрической проницаемости) различных материалов. Следует отметить, что в таких таблицах обычно указывается относительная проницаемость, а не сама абсолютная диэлектрическая проницаемость. Поэтому, если вы ищете таблицу для определения абсолютной диэлектрической проницаемости определенного материала, вы должны помнить, что приведенное там значение не является непосредственно той проницаемостью, которую вы ищете. Однако для заданного значения относительной проницаемости можно вычислить соответствующую абсолютную диэлектрическую проницаемость без особых дополнительных усилий. То есть нужно применять следующую уже известную нам формулу: ε = εr * ε0 .

Вещество εr
Вакуум ровно 1
Гелий 1,000065
Медь 5,6
Воздух (сухой) 1,00059
Метанол 32,6
Бумага 1 – 4
Вода ( 20°C, 0 — 3 ГГц ) 80
Вода ( 0°C, 0 — 1 ГГц ) 88

Таблица 1. Относительная диэлектрическая проницаемость выбранных веществ
(если не указано иное: при 18°C и 50 Гц)

В предыдущем разделе мы упоминали, что относительная проницаемость зависит, помимо прочего, от температуры и частоты. Поэтому важно знать и температуру, и частоту, если вы хотите получить значение из таблицы. Например, относительная проницаемость воды при температуре 20°C и частоте 0 ГГц равна 80. Если температура 0°C, а частота та же, относительная проницаемость воды равна 88. Медь, с другой стороны, имеет относительную проницаемость 5,6. Это означает, что вода как среда уменьшит напряжение на конденсаторе в 80 раз, в то время как медь уменьшит его только в 5,6 раз.

Диэлектрическая проницаемость

Природные объекты, эпохи, процессы, события

Диэлектри́ческая проница́емость, величина ε \varepsilon ε , характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрического поля напряжённостью E \boldsymbol E . Диэлектрическая проницаемость входит в закон Кулона как величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме . Ослабление взаимодействия происходит вследствие экранирования свободных зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды. Связанные заряды возникают вследствие микроскопического пространственного перераспределения зарядов ( электронов , ионов ) в электрически нейтральной в целом среде. Связь между векторами поляризации P \boldsymbol

P , напряжённости электрического поля E \boldsymbol E и электрической индукции D \boldsymbol D в изотропной среде в системе единиц СИ имеет вид:

Диэлектрическая проницаемость некоторых диэлектриков

Полиэтилен (20 °С)

Спирт этиловый (15 °С)

Классическая микроскопическая теория приводит к приближённому выражению для диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков:

Методы измерения диэлектрической проницаемости основаны на явлениях взаимодействия электромагнитного поля с электрическими дипольными моментами частиц вещества и различны для разных частот. В основе большинства методов при ω ⩽ 1 0 8 \omega⩽10^8 ω ⩽ 1 0 8 Гц лежит процесс зарядки и разрядки измерительного конденсатора , заполненного исследуемым диэлектриком. При более высоких частотах используются волноводные, резонансные, мультичастотные и другие методы.

диэлектрическая проницаемость

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В изотропной среде e связана с диэлектрической восприимчивостью c соотношением: e = 1 + 4pc. Диэлектрическая проницаемость… … Большой Энциклопедический словарь

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — величина e, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрич. поля Е. Д. п. входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила вз ствия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление вз… … Физическая энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, Величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Современная энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — (обозначение e), в физике одно из свойств различных материалов (см. ДИЭЛЕКТРИК). Выражается отношением плотности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТОКА в среде к напряженности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, которое его вызывает. Диэлектрическая проницаемость вакуума… … Научно-технический энциклопедический словарь

диэлектрическая проницаемость — Величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению. [ГОСТ Р 52002 2003]… … Справочник технического переводчика

Диэлектрическая проницаемость — ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению. Источник:… … Официальная терминология

диэлектрическая проницаемость — абсолютная диэлектрическая проницаемость; отрасл. диэлектрическая проницаемость Скалярная величина, характеризующая электрические свойства диэлектрика равная отношению величины электрического смещения к величине напряженности электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Диэлектрическая проницаемость — Абсолютная диэлектрическая проницаемость Относительная диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая проницаемость вакуума … Википедия

диэлектрическая проницаемость — dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: angl. dielectric constant; dielectric permittivity; permittivity rus. диэлектрическая… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Диэлектрическая проницаемость среды

Диэлектрическая проницаемость среды — использование относительной диэлектрической проницаемости среды, которая показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом [1] . Для радиолюбителей важно, что относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько увеличивается емкость конденсатора, если вместо вакуума между его пластинами будет использован данный диэлектрик.

Введение [ править | править код ]

Основная статья: Волновод

В электромагнетизме en:Electromagnetism, абсолютная проницаемость — это мера сопротивления, возникающее при формировании электрического поля в среде. Другими словами, проницаемость — это мера того, как электрическое поле en:Electric_field влияет в диэлектрической среде. Диэлектрическая проницаемость среды описывается гораздо более правильно с точки зрения создания электрического поля (более правильно, флюса) при создании его единичным зарядом в среде. Электрический поток существует в среде с низкой диэлектрической проницаемостью (на единицу заряда) из-за поляризационных эффектов. Диэлектрическая проницаемость напрямую связана с электрической восприимчивость en:Electric_susceptibility, которая является мерой того, насколько легко диэлектрическое состояние поляризует, создаёт плотность поляризации — векторное поле , которое выражает плотность постоянного или индуцированного электрических дипольных моментов в диэлектрического материала в ответ на электрическое поле. Таким образом, диэлектрическая проницаемость относится к способность материала передавать (или «разрешение») электрическое поле.

В СИ (система единиц) единицы, диэлектрическая проницаемость ε измеряется в фарадах (фарада электрическая ёмкость)на метр (F/m); электрическая восприимчивость χ — безразмерный параметр. Они связаны друг с другом через ε = ε r ε 0 = ( 1 + χ ) ε 0 \varepsilon = \varepsilon_<\text> \varepsilon_0 = (1+\chi)\varepsilon_0

где εr — относительная диэлектрическая проницаемость материала en:Relative_permittivity, и ε0 = 8.8541878176.. × 10-12 F/m — диэлектрическая проницаемость вакуума en:Vacuum_permittivity. [2]

Фарад [ править | править код ]

Основная статья: Фарад

Фара́д (обозначение: Ф, F) — единица измерения электрической ёмкости в системе СИ (система единиц) (ранее называлась фара́да).

1 фарад равен электрической ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между обкладками конденсатора напряжение 1 вольт.

Ф = Кл/В = A·c/B 1Ф = А² · с 4 / кг · м²

Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея

Источники [ править | править код ]

  1. ↑ Конструирование экранов и СВЧ-устройств /под ред. Чернушенко А. М. — М.: Радио и связь, 1990—352 с.
  2. Theory of Electric Polarization: Dielectric Polarization, C.J.F. Böttcher, ISBN 0-444-41579-3

При написании статьи использовался «Глоссарий терминов радиосвязи» И. Н. Григорова.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *