Что называется относительной диэлектрической проницаемостью вещества. Методика измерения диэлектрической проницаемости
Диэлектрическая проницаемость среды
ε c есть величина, характеризующая влияние среды на силы взаимодействия электрических полей. Различные среды имеют различные значения ε c .
Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума называется электрической постоянной ε 0 =8,85 10 -12 ф/м.
Отношение абсолютной диэлектрической проницаемости среды к электрической постоянной называют относительной диэлектрической проницаемостью
т.е. относительная диэлектрическая проницаемость ε — это величина показывающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость среды больше электрической постоянной. Величина ε размерности не имеет.
Таблица 1
Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов
Как видно из таблицы у большинства диэлектриков ε
= 1-10и мало зависит от электрических условий и температуры среды.
Существует группа диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками
, в которых ε
может достигать значений до 10 000, причем ε
сильно зависит от внешнего поля и температуры. К сегнетоэлектрикам относятся титанат бария, титанат свинца, сегнетова соль и др.
Контрольные вопросы
1. Каково строение атома алюминия, меди?
2. В каких единицах измеряются размеры атомов и их частиц?
3. Какой электрический заряд имеют электроны?
4. Почему в обычном состоянии вещества электрически нейтральны?
5. Что называется электрическим полем и как оно условно изображается?
6. От чего зависит сила взаимодействия между электрическими зарядами?
7. Почему одни материалы являются проводниками, а другие изоляторами?
8. Какие материалы относятся к проводника, а какие к изоляторам?
9. Как можно зарядить тело положительным электричеством?
10. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?
Знаете ли Вы,
что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле.
Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, «мысленный эксперимент» фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей «мысленных экспериментов» является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его «куклой» — фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, «мысленными экспериментами» привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие «фантики» от настоящих ценностей.
Релятивисты и позитивисты утверждают, что «мысленный эксперимент» весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость.
В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: «Если факт не соответствует теории — измените факт» (В другом варианте » — Факт не соответствует теории? — Тем хуже для факта»).
Максимально, на что может претендовать «мысленный эксперимент» — это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли.
Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
Электрическая проницаемость
Электрическая проницаемость является величиной, характеризующей емкость диэлектрика, помещенного между обкладками конденсатора. Как известно, емкость плоского конденсатора зависит от величины площади обкладок (чем больше площадь обкладок, тем больше емкость), расстояния между обкладками или толщины диэлектрика (чем толще диэлектрик, тем меньше емкость), а также от материала диэлектрика, характеристикой которого служит электрическая проницаемость.
Численно электрическая проницаемость равна отношению емкости конденсатора с каким-либо диэлектриком такого же воздушного конденсатора. Для создания компактных конденсаторов необходимо применять диэлектрики с высокой электрической проницаемостью. Электрическая проницаемость большинства диэлектриков составляет несколько единиц.
В технике получены диэлектрики с высокой и со сверхвысокой электрической проницаемостью.
Основная их часть — рутил (двуокись титана).
Рисунок 1. Электрическая проницаемость среды
Угол диэлектрических потерь
В статье «Диэлектрики » мы разбирали примеры включения диэлектрика в цепи постоянного и переменного тока. Оказалось, что реальном диэлектрике при работе его в электрическом поле, образованным переменным напряжением, происходит выделение тепловой энергии. Мощность, поглощаемая при этом, называется диэлектрическими потерями.
В статье «Цепь переменного тока, содержащая емкость» будет доказано, что в идеальном диэлектрике емкостной ток опережает напряжение на угол, меньший 90°. В реальном диэлектрике емкостной ток опережает напряжение на угол, меньший 90°. На уменьшение угла оказывает влияние ток утечки, называемый иначе током проводимости.
Разность между 90° и углом сдвига между напряжением и током, проходящим в цепи с реальным диэлектриком, называется углом диэлектрических потерь или углом потерь и обозначается δ (дельта). Чаще определяют не сам угол, а тангенс этого угла —
tg δ.
Установлено, что диэлектрические потери пропорциональны квадрату напряжения, частоте переменного тока, емкости конденсатора и тангенсу угла диэлектрических потерь.
Следовательно, чем больше тангенс угла диэлектрических потерь, tg δ, тем больше потери энергии в диэлектрике, тем хуже материал диэлектрика. Материалы с относительно большим tg δ (порядка 0,08 — 0,1 и более) являются плохими изоляторами. Материалы с относительно малым tg δ (порядка 0,0001) являются хорошими изоляторами.
О явлении поляризации судят по значению диэлектрической проницаемости ε. Параметр ε, характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью.
Слово “относительная” обычно опускается. Надо учесть, что электрическая емкость участка изоляции с электродами, т.е. конденсатора, зависит от геометрических размеров, конфигурации электродов и от структуры материала, образующего диэлектрик этого конденсатора.
В вакууме ε = 1, а любого диэлектрика всегда больше 1.
Если С0 — ем-
кость, между обкладками которого находится вакуум, произвольной формы и размеров, а С — емкость конденсатора таких же размеров и формы, но заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, то
Обозначив через С0 электрическую постоянную (Ф/м), равную
С0 = 8,854.10-12,
найдем абсолютную диэлектрическую проницаемость
ε’ = ε0 .ε.
Определим величины емкостей для некоторых форм диэлектриков.
Для плоского конденсатора
С = ε0 ε S/h = 8,854 1О-12 ε S/h.
где S — площадь поперечного сечения электрода, м2;
h — расстояние между электродами, м.
Практическое значение диэлектрической проницаемости очень велико. Она определяет не только способность материала образовывать емкость, но и входит в ряд основных уравнений, которые характеризуют физические процессы, протекающие в диэлектрике.
Диэлектрическая проницаемость газов, вследствие их малой плотности (из-за больших расстояний между молекулами) незначительна и близка к единице.
Обычно поляризация газа электронная или дипольная, если молекулы полярные. ε газа тем выше, чем больше радиус молекулы. Изменение числа молекул газа в единице объема газа (n) при изменении температуры и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа. Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.
При изменении влажности диэлектрическая проницаемость воздуха незначительно меняется прямо пропорционально изменению влажности (при комнатной температуре). При повышенной температуре влияние влажности значительно усиливается. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости характеризуется выражением
T K ε = 1 / ε (dε / dT).
По этому выражению можно вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1 0 К — так называемый температурный коэффициент ТК диэлектрической проницаемости.
Значение ТК неполярного газа находится по формуле
T K ε = (ε -1) / dT.
где Т — температура. К.
Диэлектрическая проницаемость жидкостей сильно зависит от их структуры. Значения ε неполярных жидкостей невелики и близки к квадрату показателя преломления света n 2. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей.
Так поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.
Сильнополярные жидкости, характеризуются высоким значением ε из-за их большой проводимости. Температурная зависимость ε в дипольных жидкостях имеет более сложный характер, чем нейтральные жидкости.
Поэтому ε на частоте 50 Гц для хлорированного дифенила (савол) быстро возрастает из-за резкого падения вязкости жидкости, а дипольные
молекулы успевают ориентироваться вслед за изменением температуры.
Уменьшение ε происходит вследствие усиления теплового движения молекул, препятствующего их ориентации в направлении электрического поля.
Диэлектрики по виду поляризации делятся на четыре группы:
Первая группа – однокомпозиционные, однородные, чистые без добавок, диэлектрики, у которых в основном электронная поляризация или плотная упаковка ионов. К ним относятся неполярные и слабополярные твердые диэлектрики в кристаллическом или аморфном состоянии, а также неполярные и слабополярные жидкости и газы.
Вторая группа – технические диэлектрики с электронной, ионной и одновременно с дипольно-релаксационной поляризациями. К ним относятся полярные (дипольные) органические полужидкие и твердые вещества, например масляно-канифольные компаунды, целлюлоза, эпоксидные смолы и композиционные материалы, составленные из этих веществ.
Третья группа – технические диэлектрики с ионной и электронной поляризациями; диэлектрики с электронной, ионной релаксационными поляризациями делится на две подгруппы. К первой подгруппе относятся в основном кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов ε
Ко второй подгруппе относятся неорганические стекла и материалы, содержащие стекловидную фазу, а также кристаллические вещества с неплотной упаковкой ионов.
Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, имеющие спонтанную, электронную, ионную, электронно-ионно-релаксационные поляризации, а также миграционную или высоковольтную для композиционных, сложных и слоистых материалов.
4.Диэлектрические потери электроизоляционных материалов. Виды диэлектрических потерь.
Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.
Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указывалось выше, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.
Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.
Рис. 3-1. Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), c потерями (б)
Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлектрических потерь будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига и тем больше угол и его функция tg .
Из теории переменных токов известно, что активная мощность
Ра = UI cos (3-1)
Выразим мощности для последовательной и параллельной схем через емкости Cs и Сp и угол , который является дополнением угла до 90°.
Для последовательной схемы, используя выражение (3-1) и соответствующую векторную диаграмму, имеем
P a = (3-2)
tg
= C s r s (3-3)
Для параллельной схемы
P a =UI a =U 2
C p tg
(3-4)
tg
= (3-5)
Приравнивая друг к другу выражения (3-2) и (3-4), а также (3-3) и (3-5) находим соотношения между Сp и Cs и между rp и rs
C p =C s /1+tg 2
(3-6)
r p = r s (1+ 1/ tg 2
) (3-7)
Для высококачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2 по сравнению с единицей в формуле (3-8) и считать Ср Cs С. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:
P a U 2
C tg
(3-8)
где Ра — активная мощность, Вт; U — напряжение, В; — угловая частота, с-1; С — емкость, Ф.
Сопротивление rр в параллельной схеме, как следует из выражения (3-7), во много раз больше сопротивления rs.
Выражение для удельных диэлектрических потерь, т. е. мощности, рассеиваемой в единице объема диэлектрика, имеет вид:
(3-9)
где р — удельные потери, Вт/м3; =2 — угловая частота, с-1, Е -напряженность электрического поля, В/м.
Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет
С1 = 0 r , реактивная составляющая удельной проводимости
(3-10)
a активная составляющая
Определив каким-либо методом при некоторой частоте параметры эквивалентной схемы исследуемого диэлектрика (Ср и rр или Cs и rs), l общем случае нельзя считать полученные значения емкости и сопротивления присущими данному конденсатору и пользоваться этими данными для расчета угла потерь при другой частоте. Такой расчет может быть сделан только в том случае, если эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, например, если известно для данного диэлектрика, что потери в нем определяются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне
tg =1/ Crp (3-12)
где С и rp — постоянные емкость и сопротивление, измеренные приданной частоте.
Потери в таком конденсаторе, как легко видеть, не зависят от частоты:
Pa=U2/ rp (3-13)
наоборот если потери в конденсаторе обусловливаются главным образом сопротивлением подводящих проводов, а также сопротивлением самих электродов (например, тонкий слой серебра), то рассеиваемая мощность в таком конденсаторе будет возрастать пропорционально квадрату частоты:
Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)
Из последнего выражения можно сделать весьма важный практический вывод: конденсаторы, предназначенные для работы на высокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление как электродов, так и соединительных проводов и переходных контактов.
Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:
1) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;
2) диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью;
ионизационные диэлектрические потери;
диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.
Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.
Релаксационные диэлектрические потери обусловлены нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля.
Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках, связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнетоэлектриках значительны при температурах ниже точки Кюри, когда наблюдается спонтанная поляризация. При температурах выше точки Кюри потери в сегнетоэлектриках уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.
К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, следует отнести также так называемые резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при высоких частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго определенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энергии электрического поля.
Резонансные потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае температура не влияет на положение максимума.
Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную проводимость.
Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае можно вычислить по формуле
Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону.
Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с температурой по экспоненциальному закону
PaT=Aexp(-b/T) (3-16)
где А,b — постоянные материала. Приближенно формулу (3-16) можно переписать так:
PaT=Pa0exp( t) (3-17)
где PaT — потери при температуре t, °С; Ра0 — потери при температуре 0°С; — постоянная материала.
Тангенс диэлектрических потерь в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Ра, так как температурным изменением емкости можно пренебречь.
Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам и газообразном состоянии; Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Ионизационные потери можно вычислить по формуле
Pa.и=A1f(U-Uи)3 (3-18)
где А1 — постоянный коэффициент; f — частота поля; U — приложенное напряжение; Uи — напряжение, соответствующее началу ионизации.
Формула (3-18) справедлива при U > Uи и линейной зависимости tg от Е. Ионизационное напряжение Uи зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда.
Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике в миканитах, микалексе и т.
д.
Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь этого вида.
ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ПО
ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов технических специальностей всех форм обучения
Красноярск 2012
Рецензент
Кандидат физико-математических наук, доцент О.Н. Бандурина
(Сибирский государственный аэрокосмический университет
имени академика М.Ф. Решетнева)
Печатается по решению методической комиссии ИКТ
Определение диэлектрической проницаемости полупроводников. Виртуальная лабораторная работа №3 по физике твердого тела:
Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов техн. спец. всех форм обучения / сост.: А.М.
Харьков; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2012. – 21 с.
Сибирский государственный аэрокосмический
университет имени академика М.Ф. Решетнева, 2012
Введение………………………………………………………………………………4
Допуск к лабораторной работе………………………………………………………4
Оформление лабораторной работы к защите………………………………………4
Определение диэлектрической проницаемости полупроводников………………..5
Теория метода…………………………………………………………………………5
Методика измерения диэлектрической проницаемости…………………..……..11
Обработка результатов измерений………………………..………………………16
Контрольные вопросы…………..………………………………………………….17
Тест………………………………………………………………………………….17
Список литературы…………………………………………………………………20
Приложение…………………………………………………………………………21
ВВЕДЕНИЕ
Данные методические указания содержат описания к лабораторным работам, в которых используются виртуальные модели из курса «Физика твердого тела».
Допуск к лабораторной работе:
Проводится преподавателем по группам с персональным опросом каждого студента. Для допуска:
1) Каждый студент предварительно оформляет свой персональный конспект данной лабораторной работы;
2) Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результатов;
3) Студент отвечает на заданные вопросы;
4) Преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента.
Оформление лабораторной работы к защите:
Полностью оформленная и подготовленная к защите работа должна соответствовать следующим требованиям:
Выполнение всех пунктов: все расчеты требуемых величин, заполнены чернилами все таблицы, построены все графики и т.д.
Графики должны удовлетворять всем требованиям преподавателя.
Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения.
Записаны выводы по каждому графику.
Выписан ответ по установленной форме.
Записаны выводы по ответу.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Теория метода
Поляризация
– это способность диэлектрика под действием электрического поля поляризоваться, т.е. изменять в пространстве расположение связанных заряженных частиц диэлектрика.
Важнейшим свойством диэлектриков является их способность к электрической поляризации, т.е. под влиянием электрического поля происходит направленное смещение заряженных частиц или молекул на ограниченное расстояние. Под действие электрического поля смещаются заряды, как в полярных, так и неполярных молекулах.
Существует более десятка различных видов поляризации. Рассмотрим некоторые из них:
1. Электронная поляризация
– это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Оно происходит во всех атомах любого вещества, т.е.
во всех диэлектриках. Электронная поляризация устанавливается за время 10 -15 –10 -14 с.
2. Ионная поляризация
– смещение относительно друг друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. Время ее установления 10 -13 –10 -12 с. Электронная и ионная поляризация относятся к числу мгновенных или деформационных видов поляризации.
3. Дипольная или ориентационная поляризация
обусловлена ориентацией диполей в направлении электрического поля. Дипольной поляризацией обладают полярные диэлектрики. Время ее установления 10 -10 –10 -6 с. Дипольная поляризация относится к числу медленных или релаксационных видов поляризации.
4. Миграционная поляризация
наблюдается в неоднородных диэлектриках, в которых электрические заряды накапливаются на границе радела неоднородностей. Процессы установления миграционной поляризации очень медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов.
5. Ионно-релаксационная поляризация
обусловлена избыточным перебросом слабо связанных ионов под действием электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решетки.
Ионно-релаксационная поляризация проявляется в некоторых кристаллических веществах при наличии в них примесей в виде ионов или неплотной упаковке кристаллической решетки. Время ее установления 10 -8 –10 -4 с.
6. Электронно-релаксационная поляризация
возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Этот вид поляризации, как правило, обуславливает высокое значение диэлектрической проницаемости.
7. Спонтанная поляризация
– самопроизвольная поляризация, возникающая в некоторых веществах (например, сегнетовой соли) в определенной области температур.
8. Упруго-дипольная поляризация
связана с упругим поворотом диполей на небольшие углы.
9. Остаточная поляризация
– поляризация, которая остается в некоторых веществах (электретах) в течение продолжительного времени после снятия электрического поля.
10. Резонансная поляризация
. Если частота электрического поля близка к собственной частоте колебаний диполей, то колебания молекул могут возрасти, что приведет к появлению резонансной поляризации в дипольном диэлектрике.
Резонансная поляризация наблюдается при частотах лежащих в области инфракрасного света. Реальный диэлектрик может одновременно обладать несколькими видами поляризации. Возникновение того или иного вида поляризации определяется физико-химическими свойствами вещества и диапазоном используемых частот .
Основные параметры:
ε – диэлектрическая проницаемость
– мера способности материала к поляризации; это величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме. Внутри диэлектрика возникает поле, направленное противоположно внешнему.
Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость.
Если вакуум между обкладками конденсатора заменяется на диэлектрик, то в результате поляризации емкость возрастает. На этом основано простое определение диэлектрической проницаемости:
где C 0 – емкость конденсатора, между обкладками которого – вакуум.
C d – емкость того же конденсатора с диэлектриком.
Диэлектрическая проницаемость ε изотропной среды определяется отношением:
(2)
где χ – диэлектрическая восприимчивость.
D = tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь
Диэлектрические потери –
потери электрической энергии, обусловленные протеканием токов в диэлектриках. Различают ток сквозной проводимости I ск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшого количества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. При электронной и ионной поляризации поляризационный ток называется током смещения I см, он очень кратковременный и не регистрируется приборами. Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации, называются токами абсорбции I абс. В общем случае суммарный ток в диэлектрике определяется как: I=I абс +I ск.пр. После установления поляризации суммарный ток будет равен: I=I ск.пр. Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в момент включения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется в соответствии с уравнением: I=I ск.
пр, то в переменном поле поляризационные токи возникают в момент смены полярности напряжения. Вследствие этого потери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными, особенно если полупериод приложенного напряжения приближается к времени установления поляризации.
На рис. 1(a) приведена схема, эквивалентная конденсатору с диэлектриком, находящемуся в цепи переменного напряжения. В этой схеме конденсатор с реальным диэлектриком, который обладает потерями, заменен идеальным конденсатором C с параллельно включенным активным сопротивлением R. На рис. 1(б) приведена векторная диаграмма токов и напряжений для рассматриваемой схемы, где U – напряжения в цепи; I ак – активный ток; I р – реактивный ток, который опережает по фазе на 90° активную составляющую; I ∑ — суммарный ток. При этом: I а =I R =U/R и I р =I C =ωCU, где ω – круговая частота переменного поля.
Рис. 1. (а) – схема; (б) – векторная диаграмма токов и напряжений
Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током I ∑ и напряжением U в емкостной цепи.
Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь: tg δ=I а /I р.
Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь для высокочастотных диэлектриков не должны превышать (0,0001 – 0,0004), а для низкочастотный – (0,01 – 0,02).
Зависимости ε и tg δ от температуры T и частоты ω
Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависят от температуры и частоты. Большое количество диэлектрических материалов не позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанных факторов.
Поэтому на рис. 2 (a, б) изображены общие тенденции, характерные для некоторых основных групп т.е. приведены типичные зависимости диэлектрической проницаемости ε от температуры T (а) и от частоты ω (б).
Рис. 2. Частотная зависимость действительной (εʹ) и мнимой (εʺ) частей диэлектрической проницаемости при наличии ориентационного механизма релаксации
Комплексная диэлектрическая проницаемость.
При наличии процессов релаксации диэлектрическую проницаемость удобно записывать в комплексном виде. Если для поляризуемости справедлива формула Дебая:
(3)
где, τ – время релаксации, α 0 – статистическая ориентационная поляризуемость. То, полагая локальное поле равным внешнему, получим (в СГС):
Графики зависимости εʹ и εʺ от произведения ωτ приведены на рис. 2. Заметим, что уменьшение εʹ (действительной части ε) имеет место вблизи максимума εʺ (мнимой части ε).
Такой ход изменения εʹ и εʺ с частотой служит частым примером более общего результата, согласно которому εʹ(ω) от частоты влечет за собой также и зависимость εʺ(ω) от частоты. В системе СИ следует заменить 4π на 1/ε 0 .
Под действием приложенного поля молекулы в неполярном диэлектрике поляризуются, становясь диполями с индуцированным дипольным моментом μ и
, пропорциональным напряженности поля:
(5)
В полярном диэлектрике дипольный момент полярной молекулы μ в общем случае равен векторной сумме собственного μ 0 и индуцированного μ и
моментов:
(6)
Напряженности поля, создаваемого этими диполями, пропорциональны дипольному моменту и обратно пропорциональны кубу расстояния.
Для неполярных материалов обычно ε = 2 – 2,5 и не зависит от частоты до ω ≈10 12 Hz. Зависимость ε от температуры обусловлена у них тем, что при ее изменении изменяются линейные размеры твердых и объемы жидких и газообразных диэлектриков, что изменяет число молекул n в единице объема
и расстояния между ними. Используя известные из теории диэлектриков соотношения F=n\
μ и
и F=
ε 0 (ε—
1)Е,
где F
– поляризованность материала, для неполярных диэлектриков имеем:
(7)
При E=const также μ и
= const и температурное изменение ε обусловлено только изменением n, которое является линейной функцией температуры Θ, зависимость ε = ε(Θ) также является линейной. Для полярных диэлектриков аналитических зависимостей нет, и обычно пользуются эмпирическими.
1)С возрастанием температуры объем диэлектрика увеличивается и диэлектрическая проницаемость немного уменьшается. Особенно заметно уменьшение ε в период размягчения и плавления неполярных диэлектриков, когда их объем существенно возрастает.
Ввиду высокой частоты обращения электронов на орбитах (порядка 10 15 –10 16 Hz) время установления равновесного состояния электронной поляризации очень мало и проницаемость ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты поля в обычно используемом диапазоне частот (до 10 12 Hz).
2) При повышении температуры ослабевают связи между отдельными ионами, что облегчает их взаимодействие под действием внешнего поля и это приводит к увеличению ионной поляризации и диэлектрической проницаемости ε. Ввиду малости времени установления состояния ионной поляризации (порядка 10 13 Hz, что соответствует собственной частоте колебания ионов в кристаллической решетке) изменение частоты внешнего поля в обычных рабочих диапазонах практически не отражается на величине ε в ионных материалов.
3) Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков сильно зависит от температуры и частоты внешнего поля. С возрастанием температуры увеличивается подвижность частиц и уменьшается энергия взаимодействия между ними, т.
е. облегчается их ориентация под действием внешнего поля – возрастает дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость. Однако этот процесс продолжается лишь до определенной температуры. При дальнейшем возрастании температуры проницаемость ε уменьшается. Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения и посредством теплового движения, то установление поляризации требует значительного времени. Это время настолько велико, что в переменных полях высокой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю, и проницаемость ε падает .
Методика измерения диэлектрической проницаемости
Емкость конденсатора.
Конденсатор
– это система из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с линейными размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор (рис. 3).
Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины:
(8)
где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами.
Физическая величина, определяемая отношением заряда q
одной из пластин конденсатора к разности потенциалов Δφ между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора
:
(9)
Единица электроемкости СИ – Фарад
(Ф). Емкостью в 1 Ф обладает такой конденсатор, разность потенциалов между обкладками которого равна 1 В при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 Кл: 1 Ф = 1 Кл/1 В.
Емкость плоского конденсатора.
Формулу для вычисления электроемкости плоского конденсатора можно получить, используя выражение (8). В самом деле, напряженность поля: Е
= φ/εε 0 = q/εε 0 S
, где S
– площадь пластины. Поскольку поле однородное, то разность потенциалов между обкладками конденсатора равна: φ 1 – φ 2 = Еd
= qd
/εε 0 S
, где d
– расстояние между обкладками. Подставив в формулу (9), получим выражение для электроемкости плоского конденсатора:
(10)
где ε 0
– диэлектрическая проницаемость воздуха; S
– площадь пластины конденсатора, S=hl
, где h
– ширина пластины, l
– ее длина; d
– расстояние между пластинами конденсатора.
Выражение (10) показывает, что электроемкость конденсатора можно увеличить путем увеличения площади S
его обкладок, уменьшения расстояния d
между ними и применения диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости ε .
Рис. 3. Конденсатор с помещенным в него диэлектриком
Если между пластинами конденсатора поместить пластину из диэлектрика, емкость конденсатора изменится. Следует рассмотреть вариант расположения диэлектрической пластины между пластинами конденсатора.
Обозначим: d
в – толщину воздушного промежутка, d
м – толщину диэлектрической пластины, l
В – длину воздушной части конденсатора, l
м – длину части конденсатора, заполненной диэлектриком, ε м – диэлектрическую проницаемость материала. Если учесть, что l = l
в + l
м, а d
= d
в + d
м, то эти варианты можно рассмотреть для случаев:
В случае l
в = 0, d
в = 0 мы имеем конденсатор с твердым диэлектриком:
(11)
Из уравнений классической макроскопической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла следует, что при помещении диэлектрика в слабое переменное поле, изменяющееся по гармоническому закону с частотой ω, тензор комплексной диэлектрической проницаемости приобретает вид:
(12)
где σ – оптическая проводимость вещества, εʹ – диэлектрическая проницаемость вещества, связанная с поляризацией диэлектрика.
Выражение (12) можно привести к следующему виду:
где мнимое слагаемое отвечает за диэлектрические потери .
На практике измеряют С – емкость образца, имеющего форму плоского конденсатора. Этот конденсатор характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь:
tgδ=ωCR c (14)
или добротностью:
Q c =1/ tgδ (15)
где R c – сопротивление, зависящее, главным образом, от диэлектрических потерь. Для измерения этих характеристик существует ряд методов: различные мостовые методы, измерения с преобразованием измеряемого параметра во временной интервал и т.д. .
При измерениях емкости С и тангенса угла диэлектрических потерь D = tgδ в данной работе была использована методика, разработанная кампанией GOOD WILL INSTRUMENT Со Ltd. Измерения проведены на прецизионном измерителе иммитанса – LCR-819-RLC. Прибор позволяет измерять емкость в пределах 20 pF–2,083 mF, тангенс угла потерь в пределах 0,0001-9999 и подавать поле смещения. Внутреннее смещение до 2 В, внешнее смещение до 30 В.
Точность измерений составляет 0,05 %. Частота тест-сигнала 12 Hz -100 kHz.
В этой работе измерения проведены на частоте 1 kHz в интервале температур 77 К
С целью получений температурных зависимостей ячейка с образцом помещается в поток хладагента (азота) пропускаемый через теплообменник, температура которого задается нагревателем. Температура нагревателя контролируется терморегулятором. Обратная связь с измерителя температуры на терморегулятор позволяет задавать скорость измерения температуры, либо осуществлять ее стабилизацию. Для контроля температуры используется термопара. В данной работе температура изменялась со скоростью 1 град/мин. Указанный метод позволяет измерять температуру с погрешностью 0,1 град.
Измерительная ячейка с закрепленным на ней образцом помещается в проточный криостат. Связь ячейки с LCR-метром осуществляется экранированными проводами через разъем в капке криостата. Криостат размещен между полюсами электромагнита ФЛ-1. Блок питания магнита позволяет получать магнитные поля до 15 kOe.
Для измерения величины напряженности магнитного поля Н используется термостабилизированный датчик Холла с блоком электроники. Для стабилизации магнитного поля между блоком питания и измерителем магнитного поля существует обратная связь.
Измеренные значения емкости С и тангенса угла потерь D = tg δ связаны со значениями искомых физических величин εʹ и εʺ следующими соотношениями:
(16)
(17)
| № | C (pF) | Re (ε’) | T (°К) | tg δ | Q c | Im (ε”) | ω (Hz) | σ (ω) |
| 3,805 | 71,66 | 0,075 | 13,33 | 5,375 | 10 3 | |||
| 3,838 | 0,093 | |||||||
| 3,86 | 0,088 | |||||||
| 3,849 | 0,094 | |||||||
| 3,893 | 0,106 | |||||||
| 3,917 | 0,092 | |||||||
| 3,951 | 0,103 | |||||||
| 3,824 | 0,088 | |||||||
| 3,873 | 0,105 | |||||||
| 3,907 | 0,108 | |||||||
| 3,977 | 0,102 | |||||||
| 4,031 | 0,105 | |||||||
| 4,062 | 0,132 | |||||||
| 4,144 | 0,109 | |||||||
| 4,24 | 0,136 | |||||||
| 4,435 | 0,175 | |||||||
| 4,553 | 0,197 | |||||||
| 4,698 | 0,233 | |||||||
| 4,868 | 0,292 | |||||||
| 4,973 | 0,361 | |||||||
| 5,056 | 0,417 | |||||||
| 5,164 | 0,491 | |||||||
| 5,246 | 0,552 | |||||||
| 5,362 | 0,624 | |||||||
| 5,453 | 0,703 | |||||||
| 5,556 | 0,783 | |||||||
| 5,637 | 0,867 | |||||||
| 5,738 | 0,955 | |||||||
| 5,826 | 1,04 | |||||||
| 5,902 | 1,136 |
Таблица №1.
Gd x Mn 1-x S, (x=0.1).
РАЗНИЦА МЕЖДУ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ И ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ | СРАВНИТЕ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ПОХОЖИМИ ТЕРМИНАМИ — НАУКА
Проницаемость против проницаемости Проницаемость и проницаемость — это две концепции, найденные в теории электромагнетизма, разработанной Джеймсом Кларком Максвеллом. Это эквивалентные концепции, в к
Проницаемость против проницаемости
Проницаемость и проницаемость — это две концепции, найденные в теории электромагнетизма, разработанной Джеймсом Кларком Максвеллом. Это эквивалентные концепции, в которых диэлектрическая проницаемость используется в электрических полях, а магнитная проницаемость — в магнитных полях.
Проницаемость (ε)
Диэлектрическая проницаемость — это мера сопротивления при формировании электрического поля через среду. Он определяется как отношение электрического смещения (D) в среде и напряженность создающего ее электрического поля (E).
Это важный электрический параметр материалов, особенно в случае изоляторов.
ε = D / E
Диэлектрическая проницаемость измеряется в Фарады на метр (Fm-1), в международной системе единиц.
Диэлектрическая проницаемость среды описывает количество потока, генерируемого на единицу заряда в среде. Высокая диэлектрическая проницаемость указывает на высокую степень поляризации в среде и больший электрический поток для создания противоположного электрического поля. Следовательно, чистая напряженность поля внутри диэлектрической среды мала, если диэлектрическая проницаемость высока.
Диэлектрическая проницаемость в вакууме постоянна и представляет собой минимально возможную диэлектрическую проницаемость. Диэлектрическая проницаемость вакуума обозначается ε0 , и имеет значение 8,854 × 10-54 FM-1. Иногда удобно давать диэлектрическую проницаемость диэлектрической среды как кратную диэлектрической проницаемости вакуума, что позволяет легко математически использовать и сравнивать диэлектрическую проницаемость различных сред.
Относительная диэлектрическая проницаемость — отношение абсолютной диэлектрической проницаемости к диэлектрической проницаемости вакуума. Абсолютная диэлектрическая проницаемость (ε) — реальная диэлектрическая проницаемость среды.
εр = ε/ε0 и, следовательно, ε = εр ε0
Относительная диэлектрическая проницаемость не имеет единиц и всегда больше 1.
Диэлектрическая проницаемость тесно связана с восприимчивостью среды, которая является мерой легкости поляризации диполей в среде. Если восприимчивость среды χ,
ε = εр ε0 = (1+χ) ε0 и, следовательно, (1 + χ) = εр
Проницаемость (µ)
Проницаемость — это мера способности материала образовывать внутри себя магнитные поля. Он определяется как отношение плотности магнитного поля (Б) в среде и напряженность внешнего магнитного поля (ЧАС).
Это важное свойство при рассмотрении магнитных свойств материала.
µ = B / H
Единица измерения проницаемости в системе СИ — Генри на метр (Hm-1). Проницаемость — это скалярная величина.
Проницаемость также можно описать как индуктивность на единицу длины. Он описывает величину магнитного потока, создаваемого в среде при приложении внешних магнитных полей. Если созданный поток поддерживает внешнее поле, он известен как парамагнетизм. Если поток противостоит внешнему полю, то он называется диамагнетизм.
Проницаемость в свободном пространстве (вакууме) — это минимально возможная проницаемость, и ее значения составляют 1,2566 × 10.-6 Хм-1 или NA-2. Аналогично диэлектрической проницаемости удобно определять относительную проницаемость. Выражение для относительная проницаемость как следует:
µр = µ/µ0
Магнитная восприимчивость является мерой намагниченности материала в дополнение к намагниченности пространства, занимаемого материалом, и обозначается χм и это безразмерная величина.
µ = µр µ0 = (1+χм) µ0 и, следовательно, (1 + χм) = µр
В чем разница между проницаемостью и проницаемостью?
• Диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость — два понятия, используемые в теории электромагнитного поля. Проницаемость касается электрических полей, а проницаемость — магнитных полей. Это аналогичные свойства в электромагнитных полях.
• Диэлектрическая проницаемость определяется как отношение напряженности поля смещения к напряженности электрического поля, тогда как проницаемость определяется как отношение между плотностью магнитного поля и силой магнитного поля.
• Диэлектрическая проницаемость учитывает эффект поляризации в материале, а проницаемость учитывает намагниченность материала.
• Проницаемость измеряется в Генри на метр Hm.-1, а диэлектрическая проницаемость измеряется в Фарадах на метр Fm-1.
Разница между диэлектрической проницаемостью и диэлектрической проницаемостью (физика)
Изучение диэлектриков и их поведения в электрических полях продолжает очаровывать физиков и инженеров-электриков.
Несмотря на то, что диэлектрики являются плохими проводниками электричества, они играют фундаментальную роль в электронных схемах, которым для построения схемы требуется диэлектрическая среда. Таким образом, требуется базовое понимание диэлектриков и их свойств. Диэлектрический материал — это не что иное, как изолятор с плохим проводником электричества, что означает, что они не пропускают ток. Они полная противоположность проводников. Как и любой другой материал, диэлектрик представляет собой совокупность ионов с положительными и отрицательными зарядами. Наиболее важным свойством диэлектриков является их диэлектрическая проницаемость наряду с диэлектрической проницаемостью.
Изолирующая среда, разделяющая заряженные поверхности, называется диэлектриком. Прежде чем мы перейдем к понятию диэлектрической проницаемости, важно понять тесно связанное свойство — емкость. Емкость — это способность системы собирать и хранить электрический заряд. При этом диэлектрическая проницаемость является мерой способности материала накапливать электрическую энергию и определяется как отношение емкости (или диэлектрической проницаемости) диэлектрического материала к емкости вакуума.
Поэтому все значения емкости связаны с диэлектрической проницаемостью вакуума. Каждый отдельный диэлектрический материал имеет свою величину диэлектрической проницаемости..
Что такое диэлектрическая проницаемость?
Диэлектрическая проницаемость — это отношение диэлектрической проницаемости используемого диэлектрика к диэлектрической проницаемости вакуума. Это относится к относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического материала, который обладает способностью собирать и накапливать энергию в форме электрического заряда. Относительная диэлектрическая проницаемость является мерой количества энергии, накопленной в диэлектрическом изоляторе на единицу электрического поля. Для любого материала, будь то полимер, керамика или металл, приложенное электрическое поле вызывает электрическую поляризацию внутри материала. Как правило, величина этой поляризации линейно пропорциональна приложенному полю. Пропорциональная постоянная называется диэлектрической проницаемостью, которую часто называют диэлектрической проницаемостью.
Поскольку диэлектрическая проницаемость является относительной мерой соотношения двух одинаковых величин, она не имеет единицы измерения или размера; это просто представлено числами. Все материалы имеют диэлектрическую проницаемость больше 1.
Что такое диэлектрическая проницаемость?
Диэлектрическая проницаемость — это способность материала сохранять электрическое поле при поляризации среды. Обычно диэлектрическая проницаемость выражается как относительная диэлектрическая проницаемость, которая определяется как отношение диэлектрической проницаемости материала к диэлектрической проницаемости вакуума. Воздух приближается к идеальному вакууму, поэтому диэлектрическая проницаемость для воздуха равна примерно нулю. Поведение молекул в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью, которая является очень важной величиной, характеризующей влияние любого электрического поля на поведение молекул. В технических приложениях диэлектрическая проницаемость часто выражается в относительной степени.
Если ε0 представляет диэлектрическую проницаемость свободного пространства и ε представляет диэлектрическую проницаемость, тогда диэлектрическая проницаемость εр выражается как, εр = ε / ε0.
Разница между диэлектрической проницаемостью и диэлектрической проницаемостью
Определение диэлектрической проницаемости и диэлектрической проницаемости
— Диэлектрическая проницаемость — это отношение диэлектрической проницаемости используемого диэлектрика к диэлектрической проницаемости вакуума. Это относится к относительной диэлектрической проницаемости диэлектрического материала, который обладает способностью собирать и накапливать энергию в форме электрического заряда. Диэлектрическая проницаемость, с другой стороны, является способностью материала сохранять электрическое поле в поляризации среды. Обычно диэлектрическая проницаемость выражается как относительная диэлектрическая проницаемость, которая определяется как отношение диэлектрической проницаемости материала к диэлектрической проницаемости вакуума.
.
Единица диэлектрической проницаемости и диэлектрической проницаемости
— Поскольку диэлектрическая проницаемость является относительной мерой соотношения двух одинаковых величин, она не имеет единицы измерения или размера; это просто представлено числами. Все материалы имеют диэлектрическую проницаемость больше 1. Воздух приближается к идеальному вакууму, поэтому диэлектрическая проницаемость для воздуха равна примерно нулю. Наиболее важным свойством диэлектрического материала является его диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала обозначается как ε, которая связана с диэлектрической проницаемостью вакуума. Диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала измеряется в Фарадах на метр (F / m или F.m-1). Диэлектрическая проницаемость вакуума, иногда называемая электрической постоянной, составляет 8,85 × 10.-12 F / м.
Диэлектрическая проницаемость и проницаемость: сравнительная таблица
Краткое изложение диэлектрической проницаемости стихов
В двух словах, диэлектрическая проницаемость является мерой способности материала накапливать электрическую энергию и определяется как отношение емкости (или диэлектрической проницаемости) диэлектрического материала к емкости вакуума.
Поскольку диэлектрическая проницаемость является относительной, она не имеет единицы измерения или размера. Диэлектрическая проницаемость обычно выражается как относительная диэлектрическая проницаемость, которая представляет собой отношение диэлектрической проницаемости материала к диэлектрической проницаемости вакуума и выражается как, εр = ε / ε0. В технических приложениях диэлектрическая проницаемость часто выражается в относительной степени. Диэлектрическая проницаемость вакуума является физической константой, равной 8,85 × 10.-12 F / м.
| Материал | Условия измерения | Диэлектрическая проницаемость |
|---|---|---|
| Пластмассы | ||
| Винипласт | 50 Гц, 20 °С | 3,6–4,0 |
| 106 Гц, 20 °С | 4,1 | |
| Гетинакс | 50 Гц, 20 °С | 6–8 |
| 106 Гц, 20 °С | 6–7 | |
| Капролон | 106 Гц, 20 °С | 3,4–4,1 |
| Капрон | 106 Гц, 20 °С | 3,6–4,0 |
| Карболит | 50 Гц, 20 °С | 6 |
| Лавсан (пленочный) | 50 Гц, 20 °С | 3,0–3,6 |
| Нейлон | — | 3,2 |
Полиамид-6. 10 | 106 Гц, 20 °С | 3,4–4,0 |
| Поливинилацеталь | 106 Гц, 20 °С | 2,7 |
| Поливинилбутераль | 106 Гц, 20 °С | 3,0–3,9 |
| Поливинилиденхлорид | 106 Гц, 20 °С | 3,0–5,0 |
| Поливинилхлорид жесткий | 106 Гц, 20 °С | 2,8–3,4 |
| Поливинилхлорид пластифицированный | 106 Гц, 20 °С | 3,3–4,5 |
| Полигексаметиленадипинамид | 106 Гц, 20 °С | 3,6–4,0 |
| Полигексаметиленсебацинамид | 106 Гц, 20 °С | 3,4–4,0 |
| Поликапролактам (капролон) | 106 Гц, 20 °С | 3,4–4,1 |
| Поликапролактам (капрон) | 106 Гц, 20 °С | 3,6–4,0 |
| Поликарбонаты | 106 Гц, 20 °С | 3,0 |
| Полиметилметакрилат | 106 Гц, 20 °С | 2,9–3,2 |
| Полипропилен | 106 Гц, 20 °С | 2,0 |
| Полистирол | 20 °С | 2,2–2,8 |
| Полистирол блочный | 106 Гц, 20 °С | 2,6 |
| Полистирол ударопрочный | 106 Гц, 20 °С | 2,7 |
| Полиуретан | 50 Гц, 20 °С | 4,0–5,0 |
| Полифенилформаль | 106 Гц, 20 °С | 4,8 |
| Полихлорвинил | 20 °С | 3,1–3,5 |
| Полиэтилен | 106 Гц, 20 °С | 2,25 |
| Полиэтилен высокого давления | 50 Гц, 20 °С | 2,1–2,3 |
| Полиэтилен низкого давления | 50 Гц, 20 °С | 2,2–2,4 |
| Текстолит | 50 Гц, 20 °С | 5–7 |
| 106 Гц, 20 °С | 6–8 | |
| Тефлон (Фторопласт-4) | — | 2,1 |
| Фторопласт-3 | 20 °С | 2,5–2,7 |
| Фторопласт-4 | 50 Гц | 1,9–2,2 |
| Эбонит | 50 Гц, 20 °С | 3,2 |
| Эскапон | 20 °С | 2,7–3 |
| Резины | ||
| Гуттаперча | 20 °С | 4 |
| Каучук | — | 2,4 |
| Резина мягкая | 20 °С | 2,6–3 |
| Эбонит | 20 °С | 4–4,5 |
| Жидкости | ||
| Аммиак | 20 °С | 17 |
| 0 °С | 20 | |
| -40 °С | 22 | |
| -80 °С | 26 | |
| Анилин | 18 °С | 7,3 |
| Ацетон | 0 °С | 23,3 |
| 10 °С | 22,5 | |
| 20 °С | 21,4 | |
| 25 °С | 20,9 | |
| 30 °С | 20,5 | |
| 40 °С | 19,5 | |
| 50 °С | 18,7 | |
| Бензол | 0 °С | — |
| 10 °С | 2,30 | |
| 20 °С | 2,29 | |
| 25 °С | 2,27 | |
| 30 °С | 2,26 | |
| 40 °С | 2,25 | |
| 50 °С | 2,22 | |
| Бром | 5 °С | 3,1 |
| Вода | 0 °С | 87,83 |
| 10 °С | 83,86 | |
| 20 °С | 80,08 | |
| 25 °С | 78,25 | |
| 30 °С | 76,47 | |
| 40 °С | 73,02 | |
| 50 °С | 69,73 | |
| Глицерин | 0 °С | 41,2 |
| 20 °С | 47 | |
| Керосин | 20 °С | 2,0 |
| 21 °С | 2,1 | |
| Кислота плавиковая | 0 °С | 83,6 |
| Кислота серная | 20–25 °С | 84–100 |
| Кислота синильная | 0–21 °С | 158 |
| Компаунд эпоксидный заливочный | 50 Гц | 4,5 |
| 106 Гц | 3,9 | |
| Компаунд эпоксидный пропиточный | 50 Гц | 4,2 |
| 106 Гц | 3,9 | |
| Ксилол | 18 °С | 2,4 |
| Масло касторовое | 10,9 °С | 4,6 |
| Масло оливковое | 21 °С | 3,2 |
| Масло парафиновое | 20 °С | 4,7 |
| Масло трансформаторное | 18 °С | 2,2–2,5 |
| Метанол | — | 30 |
| Нефть | 21 °С | 2,1 |
| Нитробензол | 18 °С | 36,4 |
| Перекись водорода | -30 °С – +25 °С | 128 |
| Сероуглерод | 20 °С | 2,6 |
| Скипидар | 20 °С | 2,2 |
| Совол | 50 Гц, 20 °С | 5,1 |
| Спирт метиловый | 13,4 °С | 35,4 |
| Спирт этиловый | 0 °С | 27,88 |
| 10 °С | 26,41 | |
| 14,7 °С | 26,8 | |
| 20 °С | 25,00 | |
| 25 °С | 24,25 | |
| 30 °С | 23,52 | |
| 40 °С | 22,16 | |
| 50 °С | 20,87 | |
| Толуол | 14,4 °С | 2,4 |
| Углерод четыреххлористый | 20 °С | 2,24 |
| 25 °С | 2,23 | |
| 40 °С | 2,20 | |
| 50 °С | 2,18 | |
| Формамид | 20 °С | 84 |
| Фурфурол | — | 42 |
| Хлороформ | 22 °С | 5,2 |
| Этиленгликоль | — | 37 |
| Эфир этиловый | 18 °С | 4,3 |
| Газы | ||
| Азот | 0 °С | 1,000606 |
| 20 °С | 1,000581 | |
| Вакуум | — | 1 |
| Водород | 0 °С | 1,000264 |
| 20 °С | 1,000273 | |
| Воздух | 0 °С | 1,000590 |
| 19 °С | 1,000576 | |
| Гелий | 0 °С | 1,000068 |
| Кислород | 0 °С | 1,000524 |
| 18 °С | 1,000550 | |
| Метан | 0 °С | 1,000953 |
| Пары воды | 18 °С | 1,007800 |
| Углекислый газ | 18 °С | 1,000970 |
| Минералы | ||
| Алмаз | 18 °С | 16,5 |
| Апатит | 18 °С | 8,5 |
| Графит | — | 10–15 |
| Кварц кристаллический | 18 °С | 4,5 |
| Кварц плавленный | 18 °С | 3,5–4,1 |
| Слюда | 18 °С | 5,7–7,0 |
| Соль каменная | 20 °С | 5,6 |
| Дерево | ||
| Береза сухая | 20 °С | 3–4 |
| Различные материалы | ||
| Асфальт | 18 °С | 2,7 |
| Бакелит | 20 °С | 4–4,6 |
| Бакелит | 50 Гц, 20 °С | 7 |
| Бальзам канадский | 18 °С | 2,7 |
| Бетон | — | 4,5 |
| Битум | 20 °С | 2,6–3,3 |
| Битум | 50 Гц, 20 °С | 3 |
| Бумага | 18 °С | 2,0–2,5 |
| Воск пчелиный | 20 °С | 2,8–2,9 |
| Канифоль | 20 °С | 3,5 |
| Керамика | 20 °С | 10–20 |
| Кость слоновая | 18 °С | 6,9 |
| Лакоткань стеклянная | 50 Гц | 4,0–6,0 |
| Лакоткань хлопчатобумажная | 50 Гц | 4,0–6,0 |
| Лакоткань шелковая | 50 Гц | 4,0–6,0 |
| Лед | -18 °С | 3,2 |
| Мрамор | 18 °С | 8,3 |
| Парафин | 20 °С | 2,2–2,3 |
| Плексиглас | 20 °С | 3,0–3,6 |
| Прессшпан | 20 °С | 3–4 |
| Радиофарфор (Керамика) | 20 °С | 6,0 |
| Сера | 18 °С | 3,6–4,3 |
| Слюда мусковит | 20 °С | 4,5–8 |
| Слюда флогопит | 20 °С | 4–5,5 |
| Стекло | 50 Гц, 20 °С | 5,3–7,5 |
| Стекло зеркальное | 18 °С | 6–7 |
| Тиконд (Керамика) | 20 °С | 25–80 |
| Ультрафарфор (Керамика) | 20 °С | 6,3–7,5 |
| Фарфор | 18 °С | 5,0–6,8 |
| Фарфор электротехнический | 20 °С | 6,5 |
| Фибра сухая | 20 °С | 2,5–8 |
| Целлулоид | 20 °С | 3–4 |
| Шелк натуральный | 20 °С | 4–5 |
| Шеллак | 20 °С | 3,5 |
| Шифер | 20 °С | 6–7 |
| Электрокартон | 50 Гц, 20 °С | 3,0 |
| Янтарь | 20 °С | 2,7–2,9 |
Диэлектрическая проницаемость — «Энциклопедия»
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, величина ε, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрического поля напряжённостью Е.
Диэлектрическая проницаемость входит в Кулона закон 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 Р, напряжённости электрического поля Е и электрической индукции D в изотропной среде в системе единиц СИ имеет вид:
где ε0 — электрическая постоянная. Величина диэлектрической проницаемости ε зависит от структуры и химического состава вещества, а также от давления, температуры и других внешних условий (табл.).
Реклама
Для газов её величина близка к 1, для жидкостей и твёрдых тел изменяется от нескольких единиц до нескольких десятков, у сегнетоэлектриков может достигать 104.
Такой разброс значений ε обусловлен различными механизмами поляризации, имеющими место в разных диэлектриках.
Классическая микроскопическая теория приводит к приближённому выражению для диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков:
где ni — концентрация i-го сорта атомов, ионов или молекул, αi — их поляризуемость, βi — так называемый фактор внутреннего поля, обусловленный особенностями структуры кристалла или вещества. Для большинства диэлектриков с диэлектрической проницаемостью, лежащей в пределах 2-8, β = 1/3. Обычно диэлектрическая проницаемость практически не зависит от величины приложенного электрического поля вплоть до электрического пробоя диэлектрика. Высокие значения ε некоторых оксидов металлов и других соединений обусловлены особенностями их структуры, допускающей под действием поля Е коллективное смещение подрешёток положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях и образование значительных связанных зарядов на границе кристалла.
Процесс поляризации диэлектрика при наложении электрического поля развивается не мгновенно, а в течение некоторого времени τ (времени релаксации). Если поле Е изменяется во времени t по гармоническому закону с частотой ω, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним и между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ. При описании колебаний Р и Е методом комплексных амплитуд диэлектрическую проницаемость представляют комплексной величиной:
ε = ε’ + iε»,
причём ε’ и ε» зависят от ω и τ, а отношение ε»/ε’ = tg δ определяет диэлектрические потери в среде. Сдвиг фаз δ зависит от соотношения τ и периода поля Т = 2π/ω. При 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 >> Т (высокие частоты) поляризация не успевает за изменением Ε, δ → π и ε’ в этом случае обозначают ε(∞) (механизм поляризации «отключён»).
Очевидно, что ε(0) > ε(∞), и в переменных полях диэлектрическая проницаемость оказывается функцией ω. Вблизи ω = l/τ происходит изменение ε’ от ε(0) до ε(∞) (область дисперсии), а зависимость tgδ(ω) проходит через максимум.
Характер зависимостей ε’(ω) и tgδ(ω) в области дисперсии определяется механизмом поляризации. В случае ионной и электронной поляризаций при упругом смещении связанных зарядов изменение Р(t) при ступенчатом включении поля Е имеет характер затухающих колебаний и зависимости ε’(ω) и tgδ(ω) называются резонансными. В случае ориентационной поляризации установление Р(t) носит экспоненциальный характер, а зависимости ε’(ω) и tgδ(ω) называются релаксационными.
Методы измерения диэлектрической поляризации основаны на явлениях взаимодействия электромагнитного поля с электрическими дипольными моментами частиц вещества и различны для разных частот. В основе большинства методов при ω ≤ 108 Гц лежит процесс зарядки и разрядки измерительного конденсатора, заполненного исследуемым диэлектриком.
При более высоких частотах используются волноводные, резонансные, мультичастотные и другие методы.
В некоторых диэлектриках, например сегнетоэлектриках, пропорциональная зависимость между Р и Ε [Ρ = ε0(ε ‒ 1 )Е] и, следовательно, между D и Е нарушается уже в обычных, достигаемых на практике электрических полях. Формально это описывается как зависимость ε(Ε) ≠ const. В этом случае важной электрической характеристикой диэлектрика является дифференциальная диэлектрическая проницаемость:
В нелинейных диэлектриках величину εдиф измеряют обычно в слабых переменных полях при одновременном наложении сильного постоянного поля, а переменную составляющую εдиф, называют реверсивной диэлектрической проницаемостью.
Лит. смотри при ст. Диэлектрики.
И. Н. Грознов.
Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая проницаемость k
То
диэлектрические свойства различных материалов, используемых в полупроводниках
изготовление и упаковка играют важную роль в достижении
желаемая производительность интегральных схем.
Основное понимание
диэлектрических свойств, поэтому требуется большинству инженеров, работающих
в полупроводниковой промышленности.
Один важный
Свойством диэлектрического материала является его диэлектрическая проницаемость.
Разрешающая способность
(ε)
мера способности материала поляризоваться электрическим
поле.
Однако, легче
понять концепцию диэлектрической проницаемости, сначала обсудив
близкородственное имущество,
емкость (С). Емкость – это мера способности материала
удерживать заряд, если к нему приложено напряжение, и лучше всего моделируется
диэлектрический слой, зажатый между двумя параллельными проводящими
тарелки.
Если напряжение
V прикладывается к конденсатору емкостью C, тогда заряд Q, который
он может удерживать прямо пропорционально приложенному напряжению V, при этом
емкость С
как константа пропорциональности
.
Таким образом,
Q = резюме,
или С = Q/V. Единицей измерения емкости является фарад.
(кулон на вольт).
То
емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости
ε
принадлежащий
диэлектрического слоя, а также площади А конденсатора и
расстояние d между двумя проводящими пластинами.
Диэлектрическая проницаемость и емкость математически связаны следующим образом:
С =
ε
(Объявление).
Когда
используемый диэлектрик
вакуум,
тогда емкость Co
=
е
о
(А/д), где
е
о
диэлектрическая проницаемость вакуума
(8,85 x 10 -12 Ф/м
).
То
диэлектрик
постоянная (к)
материала
— отношение его диэлектрической проницаемости
ε
к диэлектрической проницаемости вакуума
ε
или
,
так к =
ε
/
ε
o.
Диэлектрическая проницаемость
поэтому также известен как относительная диэлектрическая проницаемость материала. С
диэлектрическая проницаемость есть просто отношение двух подобных величин, это
безразмерный.
Учитывая его
определение, диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1.А
нью-йорк
материал способен поляризоваться больше, чем вакуум, поэтому k материала
всегда > 1. Обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость также является функцией
частоты в некоторых материалах, например полимерах, прежде всего потому, что
поляризация зависит от частоты.
А
низкий-k
диэлектрик
диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью или низкой способностью к поляризации
и держать заряд.
Диэлектрики с низким k являются очень хорошими изоляторами для
изолировать сигнальные проводники друг от друга. Таким образом, low-k
диэлектрики необходимы в очень плотных многослойных ИС, в которых
связь между очень близкими металлическими линиями должна быть подавлена, чтобы предотвратить
снижение производительности устройства.
А
хай-к
диэлектрик,
с другой стороны, имеет высокую диэлектрическую проницаемость.Потому что хай-к
диэлектрики хорошо держат заряд, они предпочтительнее
диэлектрик для конденсаторов. Диэлектрики с высоким k также используются в
ячейки памяти, которые хранят цифровые данные в виде заряда.
См.
также:
Диэлектрик
Домой
Авторское право 2005
www.EESemi.com
Все
Права защищены.
Измерение свойств диэлектрических материалов
%PDF-1.4
%
1 0 объект
>
эндообъект
2 0 объект
>
эндообъект
3 0 объект
>
эндообъект
4 0 объект
>
ручей
2012-04-18T02:47:52+02:00PScript5.dll Версия 5.22012-05-23T12:00:30+02:00Jaws PDF Creator v5.0.3349Диэлектрический материал, свойства, ZVA, ZVB, ZVT, ZVx, приложение для анализа сети/ pdf
конечный поток
эндообъект
5 0 объект
>]
>>
эндообъект
6 0 объект
>
эндообъект
7 0 объект
>
эндообъект
8 0 объект
>
эндообъект
9 0 объект
>
эндообъект
10 0 объект
>
эндообъект
11 0 объект
>
эндообъект
12 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
>>
>>
эндообъект
13 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
>>
>>
эндообъект
14 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
>>
>>
эндообъект
15 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
16 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
>>
>>
эндообъект
17 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
>>
>>
эндообъект
18 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
19 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
>>
>>
эндообъект
20 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
>>
>>
эндообъект
21 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
22 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
>>
>>
эндообъект
23 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
24 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
25 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
26 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
27 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageC]
>>
>>
эндообъект
28 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
>>
>>
эндообъект
29 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
30 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
>>
>>
эндообъект
31 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
32 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
33 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
34 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
35 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
>>
>>
эндообъект
36 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
37 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
38 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
>>
>>
эндообъект
39 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
40 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
41 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
>>
>>
эндообъект
42 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
43 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
44 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
45 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
46 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
>>
>>
эндообъект
47 0 объект
>
/ProcSet [/PDF /текст /ImageB /ImageC]
/XОбъект >
/Цветное пространство >
>>
>>
эндообъект
48 0 объект
>
ручей
XWmo6_OTIQ56a+b2yY˲
{HQv$Bȡs#)᭑JR,q䶕(*4~Wv_>w ȅk417[dGZ9/umQZVN5j}])^fe`Vkҟ.
ӈw’VW)XβOlW,bó)&:X]>e~C
Фи
ИММНضΎM73# #?.:VBb%R5-
*,e’ÔG$ 71=+슐2OhWA`D
Диэлектрическая проницаемость
Обратите внимание: если щелкнуть диэлектрик (серый прямоугольник), вы сможете изменить его размер. Попробуйте заполнить пространство между пластинами диэлектриком.
Насколько эффективен диэлектрик, позволяя конденсатору накапливать больше заряда, зависит от материала, из которого сделан диэлектрик. Каждый материал имеет диэлектрическую проницаемость κ.Это отношение поля без диэлектрика (E o ) к чистому полю (E) с диэлектриком:
κ = E или /E
E всегда меньше или равно E o , поэтому диэлектрическая проницаемость больше или равна 1. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше заряда может храниться.
Полное заполнение пространства между обкладками конденсатора диэлектриком увеличивает емкость на коэффициент диэлектрической проницаемости:
C = κ C o , где C o — емкость без диэлектрика между пластинами.
Для конденсатора с плоскими пластинами, содержащего диэлектрик, который полностью заполняет пространство между пластинами, емкость определяется по формуле:
С = κ ε o А/д
Емкость максимальна, если диэлектрическая проницаемость максимальна, а пластины конденсатора имеют большую площадь и расположены как можно ближе друг к другу.
Если бы в качестве диэлектрика вместо изолятора использовался металл, поле внутри металла было бы равно нулю, что соответствует бесконечной диэлектрической проницаемости.Однако диэлектрик обычно заполняет все пространство между пластинами конденсатора, и если бы это сделал металл, он бы закоротил конденсатор — поэтому вместо этого используются изоляторы.
| Материал | Диэлектрическая проницаемость | Диэлектрическая прочность (кВ/мм) |
|---|---|---|
| Вакуум | 1.00000 | — |
| Воздух (сухой) | 1. 00059 | 3 |
| Полистирол | 2.6 | 24 |
| Бумага | 3,6 | 16 |
| Вода | 80 | — |
Диэлектрическая проницаемость и емкость | APC International
Диэлектрическая проницаемость и емкость. Одно конкретное свойство материала и одно конкретное значение компонента. Как они связаны?
Одним из многих способов классификации пьезоматериалов является их относительная диэлектрическая проницаемость или значение K.Относительная диэлектрическая проницаемость пьезоматериала представляет собой безразмерное свойство объемного материала, которое не зависит от геометрии или размера детали.
Эта константа называется относительной диэлектрической проницаемостью, потому что это просто константа относительно другой константы. В этом случае относительная диэлектрическая проницаемость (К) представляет собой отношение диэлектрической проницаемости (диэлектрической проницаемости) пьезоматериала (ε) к диэлектрической проницаемости свободного пространства (ε 0 ).
В самом простом расчете:
, где ε 0 =8.85 x 10-12 Ф/м
Другими словами, относительная диэлектрическая проницаемость (K) представляет собой отношение ε (количество заряда, которое может хранить данный материал) к абсолютной диэлектрической проницаемости ε 0 (количество заряд, который может храниться одними и теми же электродами, разделенными вакуумом) при одинаковом напряжении.
Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость является индикатором емкости заряда материала, ее можно использовать для расчета емкости пьезокомпонентов еще до их изготовления.Зависимость напрямую связана с площадью поверхности электрода и косвенно связана с толщиной компонента.
или чаще:
, где ε = диэлектрическая проницаемость, A=площадь поверхности составного электрода, t=толщина. В более распространенном выражении C=Kε 0 A/t, K=относительная диэлектрическая проницаемость (поскольку это свойство материала широко рекламируется), но его быстро умножают на ε 0 , так что конечный результат будет таким же.
На практике рассчитаем, какой будет примерная емкость следующей пластины APC 850:
P-27.50 мм x 20,00 мм x 5 мм – 850
(пластина – Д x Ш x Т – материал APC850)
Относительная диэлектрическая проницаемость (K) материала APC 850 рекламируется как 1900.
В этом уравнении все ( метр) единицы отменяются, остаются только зарядные единицы в фарадах (F).
C=1,850 x 10-9 Ф или C=1,850 нФ (нанофарад)
Стоит отметить, что, поскольку соотношение обратно пропорционально толщине детали, уменьшение толщины детали фактически увеличивает емкость часть.Некоторые говорят, что это противоречит здравому смыслу, но важно помнить, что пьезоэлемент по сути является пластинчатым конденсатором, поэтому применяются основные принципы пластинчатых конденсаторов.
Это одна из многих причин, по которым при изготовлении компонентов в соответствии со спецификацией емкости может потребоваться небольшой диапазон размеров для достижения желаемого диапазона емкости.
Емкость является важной величиной, которую следует учитывать (независимо от того, рассчитывается она или измеряется напрямую) при проектировании преобразователей, приводов и цепей возбуждения.
Еще более простым способом расчета относительной диэлектрической проницаемости или емкости пьезоэлементов является использование пьезокалькулятора APC, доступного на главной странице веб-сайта APC. Этот пошаговый калькулятор упрощает вычисление большинства пьезоконстант!
Для получения дополнительной информации об определении емкости или относительной диэлектрической проницаемости вашей пьезокерамики или если у вас есть какие-либо другие технические вопросы, связанные с применением пьезокерамики, свяжитесь с нашим компетентным сотрудником по продажам сегодня!
Диэлектрическая постоянная, прочность и тангенс угла потерь
Q Диэлектрические потери =
Тангенс угла потерь =
Диэлектрические потери =
Представленные здесь значения являются относительными диэлектрическими постоянными (относительными диэлектрическими проницаемостями).
Как указано e r = 1,00000 для вакуума, все значения относятся к вакууму.
Умножить на ε 0 = 8,8542 x 10 -12 Ф/м (диэлектрическая проницаемость
свободное пространство) для получения абсолютной диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость является мерой
зарядоудерживающая способность среды.
Как правило, низкая диэлектрическая проницаемость (например, полипропилен) приводит к получению «быстрой» подложки.
в то время как большие диэлектрические постоянные (например, глинозем) приводят к «медленной» подложке.
Тангенс угла диэлектрических потерь определяется
угол между вектором импеданса конденсатора и отрицательной реактивной осью, как показано на рисунке
на схеме справа. Он определяет потери среды. Похож на диэлектрик
постоянные, низкие тангенсы потерь приводят к «быстрой» подложке, в то время как большие тангенсы потерь приводят к
в «медленном» субстрате.
Имейте в виду, что точные значения могут сильно различаться в зависимости от конкретного производителя.
процесс, поэтому вам следует искать данные у производителя для критически важных приложений.
Диэлектрическую проницаемость можно рассчитать, используя: ε = Cs / Cv , где Cs
— емкость с образцом в качестве диэлектрика, а Cv — емкость с
вакуум в качестве диэлектрика.
Коэффициент рассеяния можно рассчитать, используя: D = tan
δ = cot θ = 1 / (2π f RpCp) , где δ — потери
угол, θ — фазовый угол, f — частота, Rp —
эквивалентное параллельное сопротивление, а Cp — эквивалентная параллельная емкость.
Примечание. Все значения могут сильно различаться в зависимости от конкретного материала.Проверьте на сайте MatWeb.com
Больше подробностей. Другие источники:
Электрический
Свойства изоляторов,
Диэлектрические свойства материалов.
| АБС (пластик), литой | 2,0–3,5 | 400 — 1350 | 0,00500 — 0,0190 | 171 — 228 |
| Воздух (STP, @900 кГц) | 1.00058986 | 30 — 70 | ||
| Глинозем — 96% — 99.
| 10,0 9,6
| 0,0002 при 1 ГГц 0,0002 при 100 МГц 0,0003 при 10 ГГц | ||
| Силикат алюминия | 5,3 — 5,5 | |||
| Бакелит | 3,7 | |||
| Бакелит (наполненный слюдой) | 4.7 | 325 — 375 | ||
| Пробковое дерево | 1,37 при 1 МГц 1,22 при 3 ГГц | 0,012 при 1 МГц 0,100 при 3 ГГц | ||
| Пчелиный воск (желтый) | 2,53 при 1 МГц 2,39 при 3 ГГц | 0,0092 при 1 МГц 0,0075 при 3 ГГц | ||
| Оксид бериллия | 6.7 | 0,006 при 10 ГГц | ||
| Бутилкаучук | 2,35 при 1 МГц 2,35 при 3 ГГц | 0,001 при 1 МГц 0,0009 при 3 ГГц | ||
| Четыреххлористый углерод | 2,17 при 1 МГц 2,17 при 3 ГГц | <0,0004 при 1 МГц 0,0004 при 3 ГГц | ||
| Алмаз | 5. 5 — 10 | |||
| Делрин (ацетиловая смола) | 3,7 | 500 | 180 | |
| Пихта Дугласа | 1,9 при 1 МГц | 0,023 при 1 МГц | ||
| Фанера из пихты Дугласа | 1,93 при 1 МГц 1,82 при 3 ГГц | 0.026 при 1 МГц 0,027 при 3 ГГц | ||
| Эмаль | 5.1 | 450 | ||
| Печатная плата из эпоксидного стекла | 5,2 | 700 | ||
| Спирт этиловый (абсолютный) | 24,5 при 1 МГц 6,5 при 3 ГГц | 0,09 при 1 МГц 0.25 @ 3 ГГц | ||
| Этиленгликоль | 41 при 1 МГц 12 при 3 ГГц | -0,03 при 1 МГц 1 при 3 ГГц | ||
| Формика XX | 4,00 | |||
| FR-4 (G-10) — с низким содержанием смолы — высокая смола | 4,9 4. | 0,008 при 100 МГц 0,008 при 3 ГГц | ||
| Плавленый кварц | 3,8 | 0,0002 при 100 МГц 0,00006 при 3 ГГц | ||
| Плавленый кварц (стекло) | 3,8 | |||
| Арсенид галлия (GaAs) | 13.1 | 0,0016 при 10 ГГц | ||
| Германий | 16 | |||
| Стекло (Корнинг 7059) | 5,75 | 0,0036 при 10 ГГц | ||
| Стекло (свинцово-силикатное) | 7 — 14 | (Таблица 2: LS30-LS32) | ||
| Стекло, дробленое/порошковое (Corning 7070) | 4.6 | 0,000600 | 924 | |
| Гуттаперча | 2,6 | |||
| Масло Halowax | 4,8 | |||
| Полиэтилен высокой плотности (HDPE), формованный | 1,0–5,0 | 475 — 3810 | 0,0000400 — 0. 00100 | 158 — 248 |
| Лед (вода чистая дистиллированная) | 4,15 при 1 МГц 3,2 при 3 ГГц | 0,12 при 1 МГц 0,0009 при 3 ГГц | ||
| Каптон® Тип 100 Тип 150 | 3,9 2,9 | 7400 4400 | 500
| |
| Кел-Ф | 2.6 | |||
| Лексан® | 2,96 | 400 | 275 | |
| Люсит | 2,8 | |||
| Красное дерево | 2,25 при 1 МГц 1,88 при 3 ГГц | 0,025 при 1 МГц 0,025 при 3 ГГц | ||
| Слюда Слюда, рубин | 4.5 — 8,0 5,4 | 3800 -5600 | ||
| Микарта 254 | 3,4–5,4 | |||
| Майлар® | 3,2 | 7000 | 250 | |
| Неопрен | 6 — 9 | 600 | ||
| Неопреновый каучук | 6. 26 при 1 МГц4 при 3 ГГц | 0,038 при 1 МГц 0,034 при 3 ГГц | ||
| Номекс® | 800 | 450 | ||
| Нейлон | 3,2 — 5 | 400 | 280 | |
| Масло (минеральное, зажигательное) | 2,7 | 200 | ||
| Бумага (документная) | 3.0 | 200 | ||
| Парафин | 2-3 | |||
| Полимер PEEK™ 450G (при 23 °C, 100 МГц) | 3,2 | ~900 | 0,003 | |
| Фенолика (стеклонаполненная) | 5 — 7 | |||
| Фенолы (наполненные целлюлозой) | 4 — 15 | 0.03 @ 100 МГц | ||
| Фенолы (наполненные слюдой) | 4,7–7,5 | |||
| Оргстекло® | 2,2 — 3,4 | 450 — 990 | ||
| Полиэтилен LDPE/HDPE | 2,26 при 1 МГц 2,26 при 3 ГГц | 450 — 1200 | 0,0002 при 100 МГц 0. | 170 |
| Полиамид | 2,5 — 2,6 | |||
| Поликарбонат, литой | 2,8–3,4 | 380 — 965 | 0,000660 — 0,0100 | 239 — 275 |
| Полипропилен | 2,2 | 500 | 250 | |
| Полистирол | 2.5 — 2,6 | 500 | 0,0001 при 100 МГц 0,00033 при 3 ГГц | |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 3 | 725 | 140 | |
| Фарфор | 5,1 — 5,9 | 40 -280 | ||
| Стекло Pyrex (Corning 7740) | 5.1 | 335 | ||
| Кварц (плавленый) | 4.2 | 150 — 200 | ||
| RT/Duroid 5880 (обратитесь к Rogers) | 2,20 | |||
| Резина | 3,0–4,0 | 150 — 500 | 170 | |
| Рубин | 11,3 | |||
| Кремний | 11. 7 — 12,9 | 100 — 700 | 0,005 при 1 ГГц 0,015 при 10 ГГц | 300 |
| Силиконовое масло | 2,5 | |||
| Силикон RTV | 3,6 | 550 | ||
| Почва (сухая песчаная) | 2,59 при 1 МГц 2,55 при 3 ГГц | 0.017 при 1 МГц 0,0062 при 3 ГГц | ||
| Почва (сухая суглинистая) | 2,53 при 1 МГц 2,44 при 3 ГГц | 0,018 при 1 МГц 0,0011 при 3 ГГц | ||
| Стеатит | 5,3-6,5 | |||
| Титанат стронция | 233 | |||
| Тефлон® (ПТФЭ) | 2.0 — 2,1 | 1000 | 0,00028 при 3 ГГц | 480 |
| Tefzel® (1 кГц — 3 ГГц) | 2,6 — 2,3 | 0,0007 — 0,0119 | 300 | |
| Тенит | 2,9–4,5 | |||
| Трансформаторное масло | 4,5 | |||
| Вакуум (свободное место) | 1. 00000 | |||
| Валокс® | 1560 | 400 | ||
| Вазелин | 2,16 | 0,00004 при 0,1 ГГц 0,00066 при 3 ГГц | ||
| Винил | 2,8–4,5 | |||
| Вода (32°F) (68°F) (212°F) | 88.0 80,4 55,3 | 80 | 0,04 при 1 МГц 0,157 при 3 ГГц | |
| Вода (дистиллированная) | 76,7 — 78,2 | 0,005 при 100 МГц 0,157 при 3 ГГц | ||
| Дерево | 1,2 — 2,1 | 0,04 при 0,1 ГГц 0,03 при 3 ГГц |
5%
2
00031 @ 3 ГГцДополнительная информация предоставлена посетителем веб-сайта Джеймсом С.для сложного диэлектрика:
Диэлектрические постоянные в верхней части [этой] страницы напоминают распространение
константы, данные Роальдом К.
Вангснессом, Электромагнитные поля, 2-е изд., Джон Вили и
Сыновья, Нью-Йорк, 1986, с. 383, ур. (24-42) и (24-43). Шестое уравнение, данное на
веб-страница правильная. Это уравнение, данное П. Хекстра и А. Делани в Dielectric
свойства грунтов на частотах УВЧ и СВЧ,
Дж. Геофиз. Рез., т. 79, 10 апреля 1974 г., с.1699 г., «… пишется как
К * (ω) = К ‘ (ω) — iК » (ω) , где
K ‘ (ω) — диэлектрическая проницаемость и
K » (ω) — коэффициент диэлектрических потерь.
Следовательно,
Связанные страницы в RF Cafe
— Коаксиальный кабель
Спецификации
— Конденсаторные диэлектрики и описания
— Диэлектрическая проницаемость, прочность и
Тангенс угла потерь
— Удельное сопротивление и поверхностный слой проводника
Глубины
— Уравнения коаксиального кабеля
—
Характеристики коаксиального кабеля
—
Поставщики коаксиального кабеля
— Коаксиальный резонатор
— Калькулятор толщины покрытия
—
Таблица использования коаксиального разъема
Примечание.
Спасибо Гарету за исправление опущения квадрата.
знак корня в уравнениях диэлектрика.
Спасибо Крейгу Б. за исправление тангенса угла потерь для тефлона (0,00028 вместо 0,0028).
Что такое диэлектрическая проницаемость?
Диэлектрическая проницаемость (ε) — это способность вещества удерживать электрический заряд. ε — это , основанный на сложной физике, но простыми словами его можно описать как способность вещества удерживать электрический заряд.
Диэлектрическая проницаемость (Ка) — это отношение диэлектрической проницаемости вещества к свободному пространству.Значение Ка в воздухе равно 1, а в воде Ка примерно равно 80.
Многие материалы имеют ε или Ka. Например, Ка стекла составляет от 5 до 10, Ка бумаги — от 2 до 4, а Ка ткани тела — приблизительно 8.
Емкостной датчик, такой как этот датчик содержания воды и температуры 5TM, оценивает содержание воды в почве с помощью диэлектрической проницаемости и константы воздуха, почвы и водной матрицы.
Датчики содержания влаги в почве, такие как емкостные датчики и датчики рефлектометрии во временной области (TDR), измеряют диэлектрическую проницаемость почвы и воды для оценки содержания влаги в почве.Поскольку Ка воздуха равно 1, чистой воды — 80, минеральной почвы — около 3, то существует градиент между чистым воздухом и водой с почвенной смесью, от очень сухой к очень влажной. Следовательно, существует градиент Ka от сухой почвы к влажной, и этот градиент можно измерить с помощью электромагнитных методов. Затем измеренное значение Ka может быть преобразовано в % объемного содержания воды с помощью уравнения калибровки.
Ка воды незначительно зависит от температуры и давления. Значение Ka, равное 80, предполагает, что вода имеет комнатную температуру.Оуэн и др. (1961) приводят значения Ka для воды в диапазоне температур и давлений. Между температурой и Ка воды существует обратная зависимость, где Ка уменьшается с повышением температуры.
Зависимость Ka воды от температуры имеет большое значение для калибровки датчиков содержания воды в почве.
Обычно калибровку датчиков проводят при комнатной температуре. Однако температура почвы в поле может варьироваться от очень низкой до очень высокой. Большинство исследователей и, конечно же, большинство садоводов игнорируют влияние температуры на Ka, сообщая значения содержания влаги в почве.Другие переменные, особенно электропроводность почвы, могут усугублять влияние температуры на точность датчиков содержания воды в почве.
объяснение диэлектрической проницаемости
измерение
диэлектрической проницаемости (ε) почв
Датчик влажности почвы, температуры и электропроводности TEROS-12 может измерять диэлектрическую проницаемость почвы.
TEROS-12 — это цифровой датчик с несколькими выходами, включая диэлектрическую проницаемость.
Таким образом, датчик можно установить в любой субстрат, включая минеральные грунты или беспочвенные субстраты, и можно напрямую измерить диэлектрическую проницаемость этого субстрата.
TEROS-12 легко поддерживается портативным портативным измерительным прибором Procheck. В качестве альтернативы TEROS-12 может поддерживаться системой, разработанной и установленной Edaphic Scientific, которая может измерять связанные параметры, такие как дренаж, гидравлическая проводимость, погодные параметры или параметры физиологии растительности/растений.
Диэлектрическая проницаемость | Экологическая геофизика
Диэлектрическая проницаемость концептуально аналогична электропроводности.
Он связывает разделение заряда, а не ток, с применяемым
электрическое поле. Материалы, которые не имеют свободных носителей заряда, таких как
поскольку ионы или электроны все еще могут казаться пропускающими ток, когда напряжение
применяемый.
То есть энергия будет поступать от источника напряжения к
двигаться заряд .
Заряд, который движется, связан с молекулами материала, т.
Например, положительный заряд ядра и отрицательный заряд ядра.
электронные оболочки.Приложенное поле поляризует заряд
распределение с положительными зарядами, движущимися в одном направлении, и
отрицательные заряды движутся в противоположном направлении. На рис. 1 показан
схематический результат приложения электрического поля к молекуле.
Внутренняя поляризация p имеет заряд · расстояний на
метр 3 или кулон/м 2 . Диэлектрик
диэлектрическая проницаемость относится к поляризации к приложенному полю:
(1)
Диэлектрическую проницаемость часто выражают через диэлектрическую проницаемость
свободное пространство, e 0 , с точки зрения
диэлектрическая проницаемость К.
(2)
Как показано на рисунке 3, K изменяется от значения свободного пространства, равного 1, до
максимум 80 для воды.
K сильно зависит от частоты в
частей частотного спектра и должны более правильно изображаться
как сложный. Для наших целей этими аспектами можно пренебречь.
В этом отчете K рассматривается только для георадара (GPR).
частоты в диапазоне от 100 до 1000 МГц.
Диэлектрическая проницаемость является основным фактором, влияющим на скорость
электромагнитное излучение в земных материалах на частотах георадара.
Контрасты скорости, в свою очередь, вызывают отражения электромагнитных волн.
энергии внутри Земли. Таким образом, K является основным влиянием на землю
проникающие радиолокационные измерения. Из уравнения 1 e имеет единицы кулоны / (вольтметр) или
фарад/м. Из уравнения 1 , K безразмерно.
Рис. 1. Схематическое смещение заряда внутри молекулы на
электрическое поле Е.
Скорость ЭМ излучения
Скорость В электромагнитных волн через среду
диэлектрическая проницаемость e и
магнитная проницаемость (см.
следующий раздел) м это:
(3)
Коэффициент отражения
Отношение R амплитуд отраженного сигнала к падающему для ЭМ
сигнал, проходящий от среды 1 к среде 2:
(4)
Содержание воды
С диэлектрической проницаемостью 80 вода доминирует в диэлектрической проницаемости.
каменно-водяные смеси.Кажется, нет ни одного широко
принятая модель для водонасыщенных пород. Одна модель, предложенная
Калверт (1987), это:
(5)
Это соотношение показано на рисунке 2.
Рис. 2. Диэлектрическая проницаемость водонасыщенной породы как
функция пористости (K w = 81; K m = 3).
Рис. 3. Диапазон диэлектрической проницаемости некоторых распространенных материалов.
На рис. 3 показан диапазон значений диэлектрической проницаемости для различных
геологические материалы, включая воздух (диэлектрическая проницаемость = 1) и воду
(диэлектрическая проницаемость = 80).
Ослабление георадара
Проблема, связанная с проводимостью, заключается в ослаблении (а) радиолокационных сигналов проводящими грунтами.
и перегрузки.Обычно это указывается в децибелах на метр и
в диапазоне частот от 100 до 1000 МГц аппроксимируется как (Аннан,
1991):
(1)
где
Например, над землей с электропроводностью 30 мСм/м и К 25,
типичный сигнал георадара будет ослаблен на уровне а = 10,1 децибел/метр. Хороший
радиолокационная система может иметь чувствительность 100 дБ для использования в земле
коробка передач.В этой среде его проникновение будет
ограничено 5 метрами (двустороннее движение).
Страницы, найденные в свойствах
в основном основаны на отчете Министерства транспорта США:
Вайтман, У. Э., Джалинос, Ф., Сирлес, П., и Ханна, К. (2003). «Применение геофизических методов к проблемам, связанным с автомобильными дорогами».
