Относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз
Перейти к содержимому

Относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз

  • автор:

Что такое диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость характеризует в электродинамике и электростатике способность вещества к поляризации электрическими полями. Такая способность известна в физике, как диэлектрическая восприимчивость или коэффициент пропорциональности между поляризованностью среды и напряженностью внешнего поля. Диэлектрическая восприимчивость — безразмерная величина.

Восприимчивость и проницаемость

Восприимчивость и проницаемость

Определение через закон Кулона

При размещении рядом двух электрически заряженных тел возникает взаимная сила притяжения или отталкивания, в зависимости от природы заряда тел. Два одинаково заряженных тела взаимно отталкиваются, а два разноименно заряженных тела притягиваются. Установлено, что действие силы между соседними одинаково заряженными телами, разделенными одинаковым расстоянием, в разных средах различно. Величину этой силы можно определить по закону Кулона:

Закон Кулона

Закон Кулона

В этой формуле роль среды нахождения заряженных тел показывает произведение ε0·εr. Из закона Кулона следует, что сила, действующая между находящимися на расстоянии заряженными телами, обратно пропорциональна этому произведению, получившему название абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. Член ε0 — это абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, а член εr — относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Значение данной постоянной представляет собой комплексное число, реальная часть которого отражает запасаемую в диэлектрике энергию при влиянии на него электрического поля, а мнимая часть отражает потери, характеризуемые тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ.

Абсолютная проницаемость вакуума (иногда используется название диэлектрическая абсолютная проницаемость в вакууме) принимается за базовое значение характеристики. Числовое значение диэлектрической проницаемости вакуума (пустого пространства) равняется:

ε0≈ 8.8542 · 10 -12 Φ/м

Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная

Относительная диэлектрическая проницаемость определяется как отношение фактической или абсолютной диэлектрической проницаемости среды к абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума и равна:

<yoastmark class attachment_15212Таблица проницаемости

Таблица проницаемости

Как видим из таблицы диэлектрическая проницаемость бумаги и эбонита практически одинаковая, а слюды и стекла почти вдвое больше. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, как и диэлектрическая проницаемость любого газообразного диэлектрика, несколько выше 1 за счет поляризуемости входящих в его состав газов и паров. Подобно всем полярным веществам, вода проявляет различные поляризационные эффекты, которые приводят к увеличению относительной проницаемости.

Растворители с высокой диэлектрической проницаемостью являются хорошими растворителями для ионных и других полярных соединений, а растворители с низкими значениями данной характеристики — лучшими растворителями для неполярных соединений. Так, диэлектрическая проницаемость воды равна 88 и она хорошо растворяет поваренную соль, а низкая проницаемость керосина (ε = 2.1) делает его хорошим растворителем для органических масел.

Физический смысл диэлектрической проницаемости

Электростатическая сила, действующая между близко расположенными электрически заряженными телами, обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости среды. Поэтому относительная диэлектрическая проницаемость любой среды εr определяется как отношение силы F0, действующей между соседними электрически заряженными телами в вакууме, к силе F, действующей между теми же телами, удаленными на одинаковое расстояние в данной среде.

Проницаемость выраженная через кулоновские силы

Проницаемость выраженная через кулоновские силы

Напряженность электрического поля в любой точке поля, удаленной на расстояние d от электрического заряда Q, определяется как:

Напряженность электрополя

Напряженность электрополя

Из этого соотношения можно определить плотность электрического потока D:

Определение плотности электрического потока

Определение плотности электрического потока

Из выражения напряженности электрического поля и плотности потока может быть выведена формула:

Формула проницаемости

Формула проницаемости

Следовательно, отношение плотности электрического потока D к напряженности электрического поля E в точке поля может быть определено как диэлектрическая проницаемость среды в этой точке.

Из формул выше следует также физический смысл диэлектрической проницаемости материала. Она характеризует степень ослабления электрического поля внутри него.

Ослабление электрополя диэлектриком

Ослабление электрополя диэлектриком

Диэлектрическая проницаемость металлов и ее дисперсия

Металлы, в частности медь, являются проводниками электрического тока, что позволяет формально считать их диэлектрическую проницаемость равной бесконечности. Физически это можно рассматривать как следствие того, что электроны свободно перемещаются внутри проводников, и тем самым металлы бесконечно поляризуемы.

Отсутствие электрополя в проводниках

Отсутствие электрополя в проводниках

Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты приложенного электрического поля. Это свойство называется дисперсией диэлектрической проницаемости. Дисперсия объясняется тем, что процессы поляризации обладают инерционностью, то есть между изменениями электрического поля и изменениями поляризации существует задержка.

Пример зависимости проницаемости от частоты

Пример зависимости проницаемости от частоты

Единица измерения проницаемости

Исходя из уравнения закона Кулона, мы можем записать выражение для проницаемости в виде:

Определение проницаемости

Определение проницаемости

Таким образом, единица измерения проницаемости может быть определена как Кл 2 /Н·м 2 . Но более распространено другое обозначение этой единицы, вывод которой представлен ниже.

Электрическую емкость плоского конденсатора и диэлектрическую проницаемость материала между его пластинами (диэлектрика) связывает формула:

Емкость конденсатора

Емкость конденсатора

Из этой формулы можно определить диэлектрическую проницаемость материала между пластинами конденсатора:

Определение проницаемости для конденсатора

Определение проницаемости для конденсатора

Исходя из этого выражения, единица проницаемости имеет размерность Ф·м/м 2 = Ф/м, где фарад — единица электрической емкости в системе единиц СИ.

Поскольку относительная проницаемость — это отношение абсолютной проницаемости среды к абсолютной проницаемости вакуума, она является безразмерной единицей.

Диэлектрическая проницаемость

Ребята! Кто давно хотел выучить английский?
Переходите по моей ссылке и получите два бесплатных урока в школе английского языка SkyEng!
Занимаюсь там сам — очень круто. Прогресс налицо.

В приложении можно учить слова, тренировать аудирование и произношение.

Попробуйте. Два урока бесплатно по моей ссылке!
Жмите СЮДА

Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле.

В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях диэлектрическая проницаемость не зависит от поля Е. В сильных же электрических полях (сравнимых с внутриатомными полями), а в некоторых диэлектриках в обычных полях зависимость D от Е — нелинейная

Так же диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме

\large \varepsilon =\frac<F_0></p><div class='code-block code-block-10' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 10aivorobiev -->
<script src=

» width=»50″ height=»22″ />

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (Cx) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (Co)

\large \varepsilon_<r></p>
<p> = \frac> >. » width=»65″ height=»24″ /></p>
<p>Таблица значений диэлектрической проницаемости для твердых тел</p>
<p><img loading=

Таблица значений диэлектрической проницаемости для жидкостей

Диэлектрическая проницаемость жидкостей

Таблица значений диэлектрической проницаемости для газов

Диэлектрическая проницаемость для газов

В Формуле мы использовали :

— Электрическая индукция в среде

— Диэлектрическая проницаемость среды

— Напряжённость электрического поля

— Сила взаимодействия между зарядами в среде

— Сила взаимодействия между зарядами в вакууме

C_<x></p><div class='code-block code-block-13' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 13aivorobiev -->
<script src=

» width=»21″ height=»15″ /> — Емкость конденсатора в среде

 C_<0></p>
<p>» width=»20″ height=»15″ /> — Емкость конденсатора в вакууме</p>
<h2>Что такое диэлектрическая проницаемость</h2>
<p>Заряды взаимодействуют друг с другом в различных средах с различной силой, определяемой законом Кулона. Свойства этих сред определяет величина, называемая диэлектрической проницаемостью.</p>
<p><img loading=

Что такое диэлектрическая проницаемость

Согласно закону Кулона, два точечных неподвижных заряда q1 и q2 в вакууме взаимодействуют между собой с силой, заданной формулой Fкл=((1/4)*π* ε0)*(|q1|*|q2|/r 2 ), где:

  • Fкл – сила Кулона, Н;
  • q1, q2 – модули зарядов, Кл;
  • r – расстояние между зарядами, м;
  • ε0 – электрическая постоянная, 8,85*10 -12 Ф/м (Фарад на метр).

Если взаимодействие происходит не в вакууме, в формулу входит ещё одна величина, определяющая влияние вещества на силу Кулона, и запись закона Кулона выглядит так:

Эта величина обозначается греческой буквой ε (эпсилон), она безразмерна (не имеет единицы измерения). Диэлектрическая проницаемость является коэффициентом ослабления взаимодействия зарядов в веществе.

Часто в физике диэлектрическая проницаемость используется совместно с электрической постоянной, в этом случае удобно ввести понятие абсолютной диэлектрической проницаемости. Она обозначается εa и равна εa= ε0* ε. В этом случае абсолютная проницаемость имеет размерность Ф/м. Обычную проницаемость ε также называют относительной, чтобы отличить ее от εa.

Природа диэлектрической проницаемости

В основе природы диэлектрической проницаемости лежит явление поляризации под действием электрического поля. Большинство веществ в целом электрически нейтральны, хотя и содержат заряженные частицы. Эти частицы расположены в массе вещества хаотично и их электрические поля в среднем нейтрализуют друг друга.

В диэлектриках находятся, в основном связанные заряды (их называют диполями). Эти диполи условно представляют собой связки из двух разноименных частиц, которые по толщине диэлектрика ориентированы спонтанно и в среднем создают нулевую напряженность электрического поля. Под действием внешнего поля диполи стремятся сориентироваться согласно приложенной силе. В результате создается дополнительное электрическое поле. Сходные явления происходят и в неполярных диэлектриках.

В проводниках процессы похожие, только там имеются свободные заряды, которые под действием внешнего поля разделяются и также создают собственное электрическое поле. Это поле направлено навстречу внешнему, экранирует заряды и снижает силу их взаимодействия. Чем больше способность вещества к поляризации, тем выше ε.

Диэлектрическая проницаемость различных веществ

Разные вещества имеют различную диэлектрическую проницаемость. Значение ε для некоторых из них приведено в таблице 1. Очевидно, что эти значения больше единицы, поэтому взаимодействие зарядов, по сравнению с вакуумом, всегда уменьшается. Также надо заметить, что для воздуха ε немногим более единицы, поэтому взаимодействие зарядов в воздухе практически не отличается от взаимодействия в вакууме.

Таблица 1. Значения электрической проницаемости для различных веществ.

Вещество Диэлектрическая проницаемость
Бакелит 4,5
Бумага 2,0..3,5
Вода 81 (при +20 град.С)
Воздух 1,0002
Германий 16
Гетинакс 5..6
Дерево 2,7..7,5 (различные сорта)
Керамика радиотехническая 10..200
Слюда 5,7..11,5
Стекло 7
Текстолит 7,5
Полистирол 2,5
Полихлорвинил 3
Фторопласт 2,1
Янтарь 2,7

Диэлектрическая проницаемость и ёмкость конденсатора

Знание величины ε на практике важно, например, при создании электрических конденсаторов. Их ёмкость зависит от геометрических размеров обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Зависимость ёмкости конденсатора от его габаритов.

Если надо получить конденсатор повышенной ёмкости, то увеличение площади обкладок ведет к увеличению габаритов. На уменьшение расстояния между электродами также имеются практические ограничения. В этом случае может помочь применение изолятора с увеличенной диэлектрической проницаемостью. Если применить материал с более высоким ε, можно кратно уменьшить размер обкладок или увеличить расстояние между ними без потерь электрической ёмкости.

В отдельную категорию выделяют вещества, называемые сегнетоэлектриками, у которых при определенных условиях возникает спонтанная поляризация. В рассматриваемой области для них характерны два момента:

  • большие значения диэлектрической проницаемости (характерные значения — от сотен до нескольких тысяч);
  • возможность управлять величиной диэлектрической проницаемости путем изменения внешнего электрического поля.

Эти свойства используются для изготовления конденсаторов большой ёмкости (за счёт увеличенных значение диэлектрической проницаемости изолятора) с небольшими массогабаритными показателями.

Такие устройства работают только в низкочастотных цепях переменного тока – при увеличении частоты их диэлектрическая проницаемость падает. Другое применение сегнетоэлектриков – конденсаторы переменной ёмкости, чьи характеристики меняются под действием приложенного электрического поля с изменяющимися параметрами.

Диэлектрическая проницаемость и потери в диэлектрике

Также от значения диэлектрической проницаемости зависят потери в диэлектрике – это та часть энергии, которая теряется в диэлектрике на его нагрев. Для описания этих потерь обычно применяется параметр tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь. Он характеризует мощность диэлектрических потерь в конденсаторе, у которого диэлектрик изготовлен из материала с имеющимся tg δ. А удельная мощность потерь для каждого вещества определяется формулой p=E 2 *ώ*ε0*ε*tg δ, где:

  • p – удельная мощность потерь, Вт;
  • ώ=2*π*f – круговая частота электрического поля;
  • E – напряженность электрического поля, В/м.

Очевидно, что чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше потери в диэлектрике при прочих равных условиях.

Зависимость диэлектрической проницаемости от сторонних факторов

Следует заметить, что значение диэлектрической проницаемости зависит от частоты электрического поля (в данном случае – от частоты напряжения, приложенного к обкладкам). С ростом частоты значение ε у многих веществ падает. Этот эффект ярко выражен для полярных диэлектриков. Объяснить это явление можно тем, что заряды (диполи) перестают успевать следовать за полем. У веществ, для которых характерна ионная или электронная поляризация, зависимость диэлектрической проницаемости от частоты мала.

Поэтому так важен подбор материалов для выполнения диэлектрика конденсатора. То, что работает на низких частотах, не обязательно позволит получить качественную изоляцию на высоких. Чаще всего на ВЧ в качестве изолятора применяют неполярные диэлектрики.

Также диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, причем у разных веществ по-разному. У неполярных диэлектриков она падает с ростом температуры. В этом случае для конденсаторов, выполненных с применением такого изолятора, говорят об отрицательном температурном коэффициенте ёмкости (ТКЕ) – ёмкость с ростом температуры падает вслед за ε. У других веществ проницаемость с ростом температуры увеличивается, и можно получить конденсаторы с положительным ТКЕ. Включив в пару конденсаторы с противоположными ТКЕ, можно получить термостабильную ёмкость.

Понимание сущности и знание значения диэлектрической проницаемости различных веществ важно для практических целей. А возможность управлять уровнем диэлектрической проницаемости даёт дополнительные технические перспективы.

Похожие статьи:

Закон Кулона, определение и формула — электрические точечные заряды и их взаимодействие

Что такое электрическая ёмкость, в чём измеряется и от чего зависит

Что такое конденсатор, где применяется и для чего нужен

Магнитное поле: источники, свойства, характеристики и применение

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

В чём отличие проводников от диэлектриков, их свойства и сфера применения

что показывает диэлектрическая проницаемость среды

диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз поле ослабляется диэлектриком.

Остальные ответы

Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε — 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) . Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем 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 дипольным моментом. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

относительная диэлектрическая проницаемость

Похожие вопросы

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *