Unități SI | farad pe metru |
---|---|
Dimensiune | M -1 · L -3 · T 4 · I 2 |
Natură | Dimensiune intensivă a tensorului |
Link către alte dimensiuni |
Permitivitatea , specific permitivitate dielectric , este o proprietate fizică care descrie răspunsul unui mediu dat unui câmp electric aplicat.
Este o proprietate macroscopică , esențială în electrostatică , precum și în electrodinamica mediilor continue . Este implicat în multe domenii, în special în studiul propagării undelor electromagnetice și, în special, a luminii vizibile și a undelor utilizate în difuzare .
Prin urmare, se găsește în optică , prin intermediul indicelui de refracție . Legile care guvernează refracția și reflexia luminii o folosesc.
În electromagnetism, câmpul de inducție electrică reprezintă modul în care câmpul electric influențează organizarea sarcinilor electrice într-un material dat, în special deplasarea sarcinilor (de aici notația ) și reorientarea dipolilor electrici.
Relația câmpurilor electrice și de inducție cu permitivitatea, în cazul foarte simplu al unui material liniar, omogen, izotrop și cu răspuns instantaneu la modificările câmpului electric, este:
unde denotă permitivitatea în formă scalară .
În general vorbind, permitivitatea nu este o constantă: variază în funcție de poziția din material, de frecvența câmpului aplicat, de umiditate, temperatură și de alți parametri. Într-un material neliniar, permitivitatea poate depinde de puterea câmpului electric.
În plus, permitivitatea în funcție de frecvența câmpurilor electrice și de inducție poate lua valori reale sau complexe.
Câmpul vector este exprimat în volți pe metru ( V m −1 ) și câmpul vector este exprimat în coulombi pe metru pătrat ( C m −2 = A s m −2 ).
Pentru a menține omogenitatea ecuației, cantitatea trebuie deci exprimată în coulombi (adică amperi-secunde) pe volt și pe metru ( C V −1 m −1 ).
Deoarece încărcarea unui condensator cu capacitate C , în farade ( F ), supus unei tensiuni u , în volți ( V ), este q = C ⋅ u , unitățile sunt legate de C = F V , C V −1 = F , astfel încât acesta este de obicei exprimat în farade pe metru ( F / m ).
Pentru a reprezenta permitivitatea unui alt mediu decât vidul, se utilizează o cantitate numită permitivitate relativă sau „constantă dielectrică”. Această cantitate corelează permitivitatea mediului cu permitivitatea vidului :
Vidul este ales ca mediu de referință, deoarece este liniar, omogen, izotrop și cu răspuns instantaneu. Permitivitatea vid este o constantă:
Acest vid de referință este un vid absolut și teoretic, care nu poate fi obținut în practică experimental. În multe experimente, totuși, un gaz neutru la presiune scăzută (cum ar fi aerul, sau mai bine un halogen) este admis ca suficient pentru a se apropia de vid. În alte cazuri (în special dacă gazul poate fi ionizat sau dacă presiunea scăzută a vidului abordat experimental este suficientă pentru a falsifica rezultatele), va fi luată în considerare permitivitatea relativă a acestui gaz.
Permitivitatea relativă depinde de frecvența câmpului electric aplicat. De exemplu, pentru apa la 20 ° C, acesta trece de la 80 pentru frecvențe sub GHz la mai puțin de 10 pentru frecvențe peste 100 GHz.
Este legat de indicele de refracție n al mediului prin relația:
Material | Permitivitatea relativă ε r |
---|---|
gol | 1 |
uscat la aer | 1.0006 |
izolarea cablurilor telefonice | 1.5 |
Teflon (PTFE) | 2.1 |
ulei de transformator, parafină , petrol | 2.2 |
hârtie | 2.3 |
polistiren (PS) | 2.4 |
cauciuc vulcanizat | 2.7 |
Plexiglas (PMMA) | 3.5 |
Hârtie Kraft (impregnată cu ulei) | 3.5 |
Bakelită (PF) | 3.6 |
marmură | 4 |
izolarea cablurilor pentru curent mare | 4.5 |
cuarţ | 4.5 |
sticlă standard | 5 |
mica | 3−6 |
apă | 78,5 |
Vezi și tabelul detaliat din secțiunea următoare.
La nivel microscopic, permitivitatea unui material este legată de polarizabilitatea electrică a moleculelor sau atomilor care constituie materialul.
Permitivitatea unui material este o cantitate tensorială (răspunsul materialului poate depinde de orientarea axelor cristalografice ale materialului), care este redusă la un scalar în medii izotrope.
Este foarte general complexă , partea imaginară fiind legată de fenomenul de absorbție sau emisie a câmpului electromagnetic de către material.
Constanta dielectrică este notată și k în domeniul circuitelor integrate și semiconductoarelor. Așa - numitele materiale low-k sunt dielectrice cu permitivitate scăzută. Sunt folosite ca izolatori între interconectările metalice pentru a reduce cuplajul dintre ele.
Permitivitatea relativă a unor izolatori
|
|
Într-un mediu dielectric real, există întotdeauna o conductivitate scăzută la frecvențe joase, legată de diverse mecanisme microscopice (în special defecțiuni). Vorbim apoi de pierderi dielectrice . Putem lua în considerare aceste pierderi definind o permitivitate complexă:
Aceste pierderi sunt adesea foarte mici. Partea imaginară este, prin urmare, foarte mică în comparație cu partea reală. Acesta este uneori denumit un unghi de pierdere , exprimat în procente și definit prin:
Acest nume se explică prin faptul că acest unghi este unghiul format de câmpul electric și vectorii de deplasare electrică în planul complex.
Părțile reale și imaginare ale permitivității nu sunt complet independente. Acestea sunt legate de relația Kramers-Kronig .
În cazul în care permitivitatea unui mediu este complexă, relația care leagă indicele de refracție al acestui mediu și permitivitatea sa relativă există întotdeauna:
unde este indicele de refracție complex al mediului, indicele de refracție al mediului (cel utilizat pentru a calcula viteza de propagare a unei unde electromagnetice în acest mediu) și definește absorbția în acest mediu (dacă crește, absorbția crește și invers) ).
Sensibilitatea electrică este un număr adimensional astfel încât . Este legată de permitivitate prin relație
, valabil în cazul unui mediu liniar, omogen și izotrop.Permitivitatea este o cantitate macroscopică; polarizabilitatea este definită pentru un atom sau o moleculă. Sub anumite ipoteze, este posibil să le conectăm pe cele două: aceasta este formula Clausius-Mossotti .
Măsurarea permitivității poate fi efectuată folosind diferite instrumente, cum ar fi:
Aceste instrumente măsoară comportamentul undelor atunci când intră în contact sau trec prin material. Apoi este necesar să se utilizeze un algoritm de extracție pentru a cunoaște permitivitatea. Cele mai utilizate sunt NRW (Nicolson Ross Weir) și cea a lui Baker Jarvis (algoritm iterativ dezvoltat la NIST).