SI jednotky | farad na metr |
---|---|
Dimenze | M -1 · L -3 · T 4 · I 2 |
Příroda | Intenzivní tenzor velikosti |
Odkaz na jiné velikosti |
Permitivity , konkrétně dielektrikum permitivita , je vlastnost, fyzikální , který popisuje reakci daného média do elektrického pole aplikovaného.
Je to makroskopická vlastnost , nezbytná v elektrostatice i v elektrodynamice spojitých médií . Podílí se na mnoha oborech, zejména na studiu šíření elektromagnetických vln , zejména viditelného světla a vln používaných při vysílání .
Proto se nachází v optice prostřednictvím indexu lomu . Zákony upravující lom světla a odraz světla jej využívají.
V elektromagnetismu představuje elektrické indukční pole způsob, jakým elektrické pole ovlivňuje organizaci elektrických nábojů v daném materiálu, zejména posunutí nábojů (odtud notace ) a přeorientování elektrických dipólů.
Vztah elektrického a indukčního pole k permitivitě ve velmi jednoduchém případě lineárního, homogenního, izotropního materiálu as okamžitou odezvou na změny v elektrickém poli je:
kde označuje permitivitu ve skalární formě .
Obecně řečeno, permitivita není konstanta: mění se podle polohy v materiálu, frekvence aplikovaného pole, vlhkosti, teploty a dalších parametrů. V nelineárním materiálu může permitivita záviset na síle elektrického pole.
Kromě toho může permitivita jako funkce frekvence elektrického a indukčního pole nabývat skutečných nebo komplexních hodnot.
Vektorové pole je vyjádřeno ve voltech na metr ( V m −1 ) a vektorové pole je vyjádřeno v coulombech na metr čtvereční ( C m −2 = A s m −2 ).
Aby byla zachována homogenita rovnice, musí být kvantita vyjádřena v coulombech (tj. Ampérsekundách) na volt a na metr ( C V −1 m −1 ).
Protože náboj kondenzátoru s kapacitou C , ve faradech ( F ), vystavených napětí u , ve voltech ( V ), je q = C ⋅ u , jednotky souvisejí s C = F V , C V −1 = F , takže to je obvykle vyjádřeno ve faradech na metr ( F / m ).
K reprezentaci permitivity média jiného než vakua se používá veličina nazývaná relativní permitivita nebo „dielektrická konstanta“. Toto množství souvisí s permitivitou média a permitivitou vakua :
Jako referenční médium je zvoleno vakuum, protože je lineární, homogenní, izotropní a s okamžitou odezvou. Permitivita vakua je konstantní:
Toto referenční vakuum je absolutní a teoretické vakuum, které nelze v praxi získat experimentálně. V mnoha experimentech je však neutrální plyn při nízkém tlaku (například vzduch nebo ještě lépe halogen) připuštěn jako dostatečný pro přiblížení vakua. V jiných případech (zejména pokud lze plyn ionizovat nebo pokud je experimentální nízký tlak vakua dostatečný k falšování výsledků) bude zohledněna relativní permitivita tohoto plynu.
Relativní permitivita závisí na frekvenci aplikovaného elektrického pole. Například pro vodu při 20 ° C jde z 80 pro frekvence pod GHz na méně než 10 pro frekvence nad 100 GHz.
Souvisí to s indexem lomu n média vztahem:
Materiál | Relativní permitivita ε r |
---|---|
prázdný | 1 |
suchý na vzduchu | 1.0006 |
izolace telefonního kabelu | 1.5 |
Teflon (PTFE) | 2.1 |
transformátorový olej, parafín , ropa | 2.2 |
papír | 2.3 |
polystyren (PS) | 2.4 |
vulkanizovaný kaučuk | 2.7 |
Plexisklo (PMMA) | 3.5 |
Sulfátový papír (impregnovaný olejem) | 3.5 |
Bakelit (PF) | 3.6 |
mramor | 4 |
izolace kabelu pro vysoký proud | 4.5 |
křemen | 4.5 |
standardní sklo | 5 |
slída | 3-6 |
voda | 78,5 |
Viz také podrobná tabulka v následující části.
Na mikroskopické úrovni permitivita materiálu souvisí s elektrickou polarizovatelností molekul nebo atomů tvořících materiál.
Permitivita materiálu je tenzorové množství (odezva materiálu může záviset na orientaci krystalografických os materiálu), které je v izotropním prostředí redukováno na skalární.
Je to velmi obecně složité , imaginární část je spojena s fenoménem absorpce nebo emise elektromagnetického pole materiálem.
Dielektrická konstanta je také zaznamenána k v oblasti integrovaných obvodů a polovodičů. Tzv. Low-k materiály jsou dielektrika s nízkou permitivitou. Používají se jako izolátory mezi kovovými propojeními, aby se snížila vazba mezi nimi.
Relativní permitivita některých izolátorů
|
|
Ve skutečném dielektrickém médiu je vždy nízká vodivost při nízkých frekvencích spojená s různými mikroskopickými mechanismy (zejména poruchami). Mluvíme pak o dielektrických ztrátách . Tyto ztráty můžeme vzít v úvahu definováním složité permitivity:
Tyto ztráty jsou často velmi malé. Imaginární část je proto ve srovnání se skutečnou částí velmi malá. Toto se někdy označuje jako úhel ztráty , vyjádřený v procentech a definovaný:
Tento název je vysvětlen skutečností, že tento úhel je úhel tvořený elektrickým polem a vektory elektrického posunutí v komplexní rovině.
Skutečná a imaginární část permitivity není zcela nezávislá. Jsou propojeny vztahem Kramers-Kronig .
V případě, že je permitivita média složitá, vždy existuje vztah vázající index lomu tohoto média a jeho relativní permitivitu:
kde je komplexní index lomu média, index lomu média (ten, který se používá k výpočtu rychlosti šíření elektromagnetické vlny v tomto médiu) a definuje absorpci v tomto médiu (pokud se zvyšuje, zvyšuje se absorpce a naopak ).
Elektrická náchylnost je takové bezrozměrné číslo . Souvisí to s permitivitou
, platí v případě lineárního, homogenního a izotropního média.Permitivita je makroskopická veličina; polarizovatelnost je definována pro atom nebo molekulu. Za určitých předpokladů je možné spojit tyto dva: toto je Clausius-Mossottiho vzorec .
Měření permitivity lze provádět pomocí různých přístrojů, jako jsou:
Tyto přístroje umožňují měřit chování vln při kontaktu nebo průchodu materiálem. Potom je nutné použít extrakční algoritmus , abychom poznali permitivitu. Nejpoužívanější jsou NRW (Nicolson Ross Weir) a Baker Jarvis (iterativní algoritmus vyvinutý v NIST).