Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектри́ческая проница́емость — коэффициент, входящий в математическую запись закона Кулона для силы взаимодействия точечных зарядов q 1 {\displaystyle q_{1}} и q 2 {\displaystyle q_{2}} , находящихся в однородной изолирующей (диэлектрической) среде на расстоянии r 12 {\displaystyle r_{12}} друг от друга:

F = 1 4 π ε a ⋅ | q 1 q 2 | r 12 2 {\displaystyle F={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{a}}}\cdot {\frac {|q_{1}q_{2}|}{r_{12}^{2}}}} ,

а также в уравнение связи вектора электрической индукции с напряжённостью электрического поля:

D = ε a E {\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{a}\mathbf {E} }

в рассматриваемой среде. Вводятся абсолютная (а) и относительная (r, от англ. relative — относительный) проницаемости:

ε a = ε 0 ε r {\displaystyle \varepsilon _{a}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}} ,

где ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} — электрическая постоянная. Cам термин «диэлектрическая проницаемость» применяется и для ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}} , и для ε a {\displaystyle \varepsilon _{a}} ; ради краткости, одну из этих величин (в российской литературе чаще ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}} , в англоязычной ε a {\displaystyle \varepsilon _{a}} ) переобозначают как ε {\displaystyle \varepsilon } (из контекста всегда ясно, о чём идёт речь). Величина ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}} безразмерна, а ε a {\displaystyle \varepsilon _{a}} по размерности совпадает с ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} (в Международной системе единиц (СИ): фарад на метр, Ф/м).

Проницаемость ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}} показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в конкретной среде меньше, чем в вакууме, для которого ε r = 1 {\displaystyle \varepsilon _{r}=1} . Отличие проницаемости от единицы обусловлено эффектом поляризации диэлектрика под действием внешнего электрического поля, в результате которой создаётся внутреннее противоположно направленное поле. В области низких частот ω {\displaystyle \omega } значение проницаемости реальных сред ε r > 1 {\displaystyle \varepsilon _{r}>1} , обычно оно лежит в диапазоне 1—100, но для сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч. Как функция частоты электрического поля величина ε r ( ω ) {\displaystyle \varepsilon _{r}(\omega )} слегка возрастает на участках вне линий поглощения данного материала, однако вблизи линий резко спадает, из-за чего высокочастотная диэлектрическая проницаемость ниже статической. Имеет место связь проницаемости и показателя преломления вещества: для немагнитной непоглощающей среды n 2 ( ω ) = ε r ( ω ) {\displaystyle n^{2}(\omega )=\varepsilon _{r}(\omega )} .

Относительная диэлектрическая проницаемость ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}} является одним из «электромагнитных параметров» среды, влияющих на распределение компонент напряжённости электромагнитного поля в пространстве и описывающих среду в материальных уравнениях электродинамики (уравнениях Максвелла).

Схематическое изображение ориентации диполей в диэлектрической среде под воздействием электрического поля

Энциклопедичный YouTube

Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость среды εотн – безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Она показывает, во сколько раз растворимость уменьшает силу электростатического взаимодействия между растворенными частицами по сравнению с их взаимодействием в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока – около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Таблица — Относительная диэлектрическая проницаемость материалов

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

Литература

  1. Справочник по элементарной физике / Н.Н. Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., Наука. 1976. 256 с.
  2. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов в машиностроении / Н.П. Глуханов, И.Г. Федорова. Л., Машиностроение, 1972. 160 с.
  3. Высокочастотная сварка пластмасс / Под ред. А.Н. Шамова. — Л.: Машиностроение, 1990. — 80 с.
  4. Краткий физико-технический справочник. Т.1 / Под общ. ред. К.П. Яковлева. М.: ФИЗМАТГИЗ. 1960. – 446 с.
  5. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры / И.Я. Гликман, Ю.С. Русин. М., Советское радио, 1976. 160 с.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *