Relativní permitivita - Relative permittivity

Teplotní závislost relativní statické permitivity vody

The relativní permitivitanebo dielektrická konstanta, materiálu je jeho (absolutní) permitivita vyjádřeno jako poměr vzhledem k vakuová permitivita.

Permitivita je hmotná vlastnost, která ovlivňuje Coulombova síla mezi dvěma bodovými náboji v materiálu. Relativní permitivita je faktor, kterým se elektrické pole mezi náboji snižuje ve srovnání s vakuem.

Podobně je relativní permitivita poměrem kapacita a kondenzátor pomocí tohoto materiálu jako a dielektrikum, ve srovnání s podobným kondenzátorem, který má vakuum jako jeho dielektrikum. Relativní permitivita je také běžně známá jako dielektrická konstanta, termín stále používaný, ale zastaralý standardizačními organizacemi ve strojírenství^[14] stejně jako v chemii.^[15]

Definice

Relativní permitivita je obvykle označován jako ε_r(ω) (někdy κ, malá písmena kappa ) a je definován jako

${ displaystyle varepsilon _ {r} ( omega) = { frac { varepsilon ( omega)} { varepsilon _ {0}}},}$

kde ε (ω) je komplex závislé na frekvenci permitivita materiálu a ε₀ je vakuová permitivita.

Relativní permitivita je a bezrozměrný číslo, které je obecně komplexní; jeho skutečná a imaginární část je označena jako:^[16]

${ displaystyle varepsilon _ {r} ( omega) = varepsilon _ {r} '( omega) -i varepsilon _ {r}' '( omega).}$

Relativní permitivita média souvisí s jeho elektrická citlivost, χ_E, tak jako ε_r(ω) = 1 + χ_E.

V anizotropních médiích (jako jsou jiné než kubické krystaly) je relativní permitivita druhou řadou tenzor.

Relativní permitivita materiálu pro a frekvence nula je známá jako jeho statická relativní permitivita.

Terminologie

Historický termín pro relativní permitivitu je dielektrická konstanta. Stále se běžně používá, ale byla zastaralá normalizačními organizacemi,^[14][15] kvůli své nejednoznačnosti, protože ji někteří starší autoři používali pro absolutní permitivitu ε.^[14][17][18] Permitivitu lze citovat buď jako statickou vlastnost, nebo jako variantu závislou na frekvenci. Také se používá k označení pouze skutečné složky ε '_r komplexní relativní permitivity.^{[Citace je zapotřebí ]}

Fyzika

V kauzální teorii vln je permitivita komplexní veličina. Imaginární část odpovídá fázovému posunu polarizace P ve vztahu k E a vede k útlumu elektromagnetických vln procházejících médiem. Podle definice lineární relativní permitivita vakua se rovná 1,^[18] to je ε = ε₀, i když existují teoretické nelineární kvantová účinky ve vakuu, které se při vysoké intenzitě pole stanou nezanedbatelnými.^[19]

Následující tabulka uvádí některé typické hodnoty.

Měření

Relativní statická permitivita, ε_r, lze měřit staticky elektrická pole takto: nejprve kapacita testu kondenzátor, C₀, se měří s vakuem mezi deskami. Poté pomocí stejného kondenzátoru a vzdálenosti mezi jeho deskami, kapacitance C s dielektrikum mezi deskami se měří. Relativní permitivitu lze poté vypočítat jako

${ displaystyle varepsilon _ {r} = { frac {C} {C_ {0}}}.}$

Pro časovou variantu elektromagnetické pole, toto množství se stává frekvence -závislý. Nepřímá technika výpočtu ε_r je převod rádiové frekvence S-parametr výsledky měření. Popis často používaných převodů S-parametrů pro stanovení frekvenčně závislých ε_r dielektrik najdete v tomto bibliografickém zdroji.^[20] Alternativně mohou být použity efekty založené na rezonanci při pevných frekvencích.^[21]

Aplikace

Energie

Relativní permitivita je podstatnou informací při navrhování kondenzátory, a za jiných okolností, kdy lze očekávat zavedení materiálu kapacita do okruhu. Pokud je materiál s vysokou relativní permitivitou umístěn do elektrické pole, velikost tohoto pole bude měřitelně zmenšena v objemu dielektrika. Tato skutečnost se běžně používá ke zvýšení kapacity konkrétní konstrukce kondenzátoru. Vrstvy pod leptanými vodiči v deskách plošných spojů (PCB ) fungují také jako dielektrika.

Sdělení

Dielektrika se používají v RF přenosové linky. V koaxiální kabel, polyethylen lze použít mezi středovým vodičem a vnějším štítem. Může být také umístěn uvnitř vlnovodů filtry. Optická vlákna jsou příklady dielektrikum vlnovody. Skládají se z dielektrických materiálů, které jsou záměrně dotovány nečistotami, aby bylo možné řídit přesnou hodnotu ε_r v průřezu. Tím se ovládá index lomu materiálu, a tedy i optické režimy přenosu. V těchto případech však záleží na technické relativní permitivitě, protože nejsou provozovány v elektrostatickém limitu.

životní prostředí

Relativní permitivita vzduchu se mění s teplotou, vlhkostí a barometrickým tlakem.^[22] Senzory mohou být konstruovány tak, aby detekovaly změny kapacity způsobené změnami relativní permitivity. Většina této změny je způsobena účinky teploty a vlhkosti, protože barometrický tlak je poměrně stabilní. Pomocí změny kapacity spolu s naměřenou teplotou lze relativní vlhkost získat pomocí technických vzorců.

Chemie

Relativní statická permitivita rozpouštědla je relativní mírou jeho chemická polarita. Například, voda je velmi polární a má relativní statickou permitivitu 80,10 při teplotě 20 ° C n-hexan je nepolární a má relativní statickou permitivitu 1,89 při 20 ° C.^[23] Tato informace je důležitá při navrhování separace, příprava vzorků a chromatografie techniky v analytická chemie.

S korelací je však třeba zacházet opatrně. Například, dichlormethan má hodnotu ε_r z 9.08 (20 ° C) a je špatně rozpustný ve vodě (13 g / l nebo 9,8 ml / l při 20 ° C); ve stejnou dobu, tetrahydrofuran má své ε_r = 7.52 při 22 ° C, ale je zcela mísitelný s vodou. V případě tetrahydrofuranu může atom kyslíku působit jako a vodíková vazba akceptor; kde dichlormethan nemůže vytvářet vodíkové vazby s vodou.

To je ještě patrnější při srovnání ε_r hodnoty octová kyselina (6.2528)^[24] a to z jodethan (7.6177).^[24] Velká číselná hodnota ε_r není překvapující ve druhém případě, protože jód atom je snadno polarizovatelný; to však neznamená, že je také polární (elektronický polarizovatelnost v tomto případě převažuje nad orientačním).

Ztrátové médium

Opět, jako u absolutní permitivita relativní permitivitu pro ztrátové materiály lze formulovat jako:

${ displaystyle varepsilon _ {r} = varepsilon _ {r} '- { frac {i sigma} { omega varepsilon _ {0}}},}$

ve smyslu „dielektrické vodivosti“ σ (jednotky S / m, siemens na metr), což „souhrnně vyjadřuje všechny disipativní účinky materiálu; může představovat skutečnou [elektrickou] vodivost způsobenou migrujícími nosiči náboje a může také odkazovat na ztrátu energie související s rozptylem ε„[Permitivita se skutečnou hodnotou]“ (^[16] p. 8). Rozšiřování úhlová frekvence ω = 2πc / λ a elektrická konstanta ε₀ = 1 / µ₀C², což snižuje na:

${ displaystyle varepsilon _ {r} = varepsilon _ {r} '- i sigma lambda kappa,}$

kde λ je vlnová délka, C je rychlost světla ve vakuu a κ = µ₀C / 2π = 59,95849 Ω ≈ 60,0 Ω je nově zavedená konstanta (jednotky ohmy nebo reciproční siemens, takový, že σλκ = ε_r zůstává bez jednotky).

Kovy

Permitivita je obvykle spojena s dielektrické materiály, nicméně kovy jsou popisovány jak mít efektivní permitivitu, se skutečnou relativní permitivitou rovnou jedné.^[25] V nízkofrekvenční oblasti, která sahá od rádiových kmitočtů po vzdálenou infračervenou a terahertzovou oblast, je plazmatická frekvence elektronového plynu mnohem větší než frekvence elektromagnetického šíření, takže index lomu n kovu je téměř téměř čistě imaginární číslo. V nízkofrekvenčním režimu je efektivní relativní permitivita také téměř čistě imaginární: má velmi velkou imaginární hodnotu související s vodivostí a poměrně nevýznamnou skutečnou hodnotu.^[26]

Viz také

Reference