Введение

Мера электрической поляризуемости диэлектрического материала

электрическая постоянная

В электромагнетизме абсолютная диэлектрическая проницаемость, часто называемая просто диэлектрической проницаемостью и обозначаемая греческой буквой ε (эпсилон), является мерой электрической поляризуемости диэлектрического материала. Материал с высокой диэлектрической проницаемостью поляризуется сильнее в ответ на приложенное электрическое поле, чем материал с низкой диэлектрической проницаемостью, тем самым накапливая больше энергии в материале. В электростатике диэлектрическая проницаемость играет важную роль в определении ёмкости конденсатора. В самом простом случае электрическое смещение 'D', возникающее в результате приложенного электрического поля E, равно

В более общем случае диэлектрическая проницаемость является термодинамической функцией состояния. Она может зависеть от частоты, величины и направления приложенного поля. Единицей СИ для диэлектрической проницаемости является Фарад на метр (Ф/м). Диэлектрическая проницаемость часто представляется относительной диэлектрической проницаемостью ε, которая является отношением абсолютной диэлектрической проницаемости ε к диэлектрической проницаемости вакуума ε₀.

Эта безразмерная величина также часто и неоднозначно называется диэлектрической проницаемостью. Другим распространенным термином, используемым как для абсолютной, так и для относительной диэлектрической проницаемости, является диэлектрическая постоянная, которая устарела в физике, инженерии и химии. По определению, идеальный вакуум имеет относительную диэлектрическую проницаемость, равную точно 1, в то время как при стандартной температуре и давлении воздух имеет относительную диэлектрическую проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость напрямую связана с электрической восприимчивостью (χ) соотношением

которое также можно записать как

Термин "диэлектрическая проницаемость" был введен в 1880-х годах Оливером Хевисайдом в дополнение к "проницаемости" Томсона (1872). Ранее обозначалась как p, обозначение с ε используется повсеместно с 1950-х годов.

Единицы

Единицей диэлектрической проницаемости в СИ является Фарад на метр (F/m или F·м⁻¹).

Пояснение

В электромагнетизме электрическое поле смещения 'D' представляет собой распределение электрических зарядов в данной среде, возникающее под воздействием электрического поля 'E'. Это распределение включает в себя миграцию зарядов и переориентацию электрических диполей. Связь между ним и диэлектрической проницаемостью в простейшем случае линейных, однородных, изотропных материалов с "мгновенным" откликом на изменения электрического поля выражается следующим образом:

где диэлектрическая проницаемость ε является скаляром. Если среда анизотропна, диэлектрическая проницаемость представляет собой тензор второго ранга. В общем случае диэлектрическая проницаемость не является постоянной величиной, поскольку она может изменяться в зависимости от положения в среде, частоты приложенного поля, влажности, температуры и других параметров. В нелинейной среде диэлектрическая проницаемость может зависеть от напряженности электрического поля. Диэлектрическая проницаемость как функция частоты может принимать как действительные, так и комплексные значения. В системе СИ диэлектрическая проницаемость измеряется в фарадах на метр (F/m или А²·с⁴·кг⁻¹·м⁻³). Поле смещения 'D' измеряется в единицах кулон на квадратный метр (Кл/м²), а электрическое поле 'E' – в вольтах на метр (В/м). 'D' и 'E' описывают взаимодействие между заряженными объектами. 'D' связано с плотностью заряда, участвующей в этом взаимодействии, в то время как 'E' связано с силами и разностью потенциалов.

Определение емкости

Емкость конденсатора определяется его конструкцией и архитектурой, то есть она не изменяется при зарядке и разрядке. Формула для емкости плоского конденсатора записывается как

где – площадь одной обкладки, – расстояние между обкладками, а – диэлектрическая проницаемость среды между обкладками. Для конденсатора с относительной диэлектрической проницаемостью можно сказать, что

Классификация материалов

Материалы могут быть классифицированы в соответствии с их комплексной диэлектрической проницаемостью ε, путем сравнения ее действительной ε′ и мнимой ε″ составляющих (или, эквивалентно, проводимости σ, при ее учете в последней). Идеальный проводник имеет бесконечную проводимость, , в то время как идеальный диэлектрик – это материал, не имеющий проводимости вовсе, ; этот последний случай, когда диэлектрическая проницаемость является действительной (или комплексной с нулевой мнимой составляющей), также называют средой без потерь. Как правило, мы рассматриваем материал как слабопоглощающий диэлектрик (хотя и не абсолютно без потерь), в то время как характеризует хороший проводник; такие материалы с заметной проводимостью вызывают значительные потери, препятствующие распространению электромагнитных волн, и поэтому также называются поглощающими средами. Материалы, не попадающие ни в одну из этих категорий, считаются общими средами.

Квантово-механическая интерпретация

В терминах квантовой механики, диэлектрическая проницаемость объясняется атомными и молекулярными взаимодействиями. При низких частотах молекулы в полярных диэлектриках поляризуются приложенным электрическим полем, что вызывает периодические вращения. Например, на микроволновой частоте микроволновое поле вызывает периодическое вращение молекул воды, достаточное для разрыва водородных связей. Поле совершает работу против этих связей, и энергия поглощается материалом в виде тепла. Именно поэтому микроволновые печи эффективно работают с материалами, содержащими воду. Существует два максимума мнимой части диэлектрической проницаемости (индекса поглощения) воды: один на микроволновой частоте, а другой – в дальней ультрафиолетовой (УФ) области. Оба этих резонанса находятся на более высоких частотах, чем рабочая частота микроволновых печей. При умеренных частотах энергия слишком велика для вызывания вращения, но слишком мала для непосредственного воздействия на электроны, и поглощается в форме резонансных молекулярных колебаний. В воде именно здесь индекс поглощения начинает резко падать, а минимум мнимой диэлектрической проницаемости достигается на частоте синего света (оптический диапазон). При высоких частотах (таких как УФ и выше) молекулы не успевают релаксировать, и энергия поглощается непосредственно атомами, возбуждая электронные энергетические уровни. Таким образом, эти частоты классифицируются как ионизирующее излучение. Хотя проведение полного моделирования ab initio (то есть, на основе первых принципов) сейчас вычислительно возможно, оно пока не получило широкого распространения. Следовательно, феноменологическая модель считается адекватным методом для описания экспериментальных данных. Модели Дебая и Лоренца используют линейное представление параметров системы первого и второго порядка соответственно (например, RC и LRC резонансные контуры).