Permitividad relativa

la constante dielectrica la constante dielectrica

el valor de ε, que muestra cuántas veces la fuerza de interacción de dos cargas eléctricas en un medio es menor que en el vacío. En un medio isotrópico, ε está relacionado con la susceptibilidad dieléctrica χ por la relación: ε = 1 + 4π χ. La permitividad de un medio anisotrópico es un tensor. La permitividad depende de la frecuencia del campo; en campos eléctricos fuertes, la permitividad comienza a depender de la intensidad del campo.

LA CONSTANTE DIELÉCTRICA

PERMITIVIDAD DIELÉCTRICA, una cantidad adimensional e, que muestra cuántas veces la fuerza de interacción F entre cargas eléctricas en un medio dado es menor que su fuerza de interacción F o en el vacío:
e \u003d F sobre / F.
La constante dieléctrica muestra cuántas veces el campo es debilitado por el dieléctrico. (cm. DIELÉCTRICO), caracterizando cuantitativamente la propiedad de un dieléctrico de polarizarse en un campo eléctrico.
El valor de la permitividad relativa de una sustancia, que caracteriza el grado de su polarizabilidad, está determinado por los mecanismos de polarización. (cm. POLARIZACIÓN). Sin embargo, el valor en gran medida también depende del estado de agregación de la sustancia, ya que durante las transiciones de un estado a otro, la densidad de la sustancia, su viscosidad e isotropía cambian significativamente. (cm. ISOTROPÍA).
Constante dieléctrica de los gases
Las sustancias gaseosas se caracterizan por tener densidades muy bajas debido a largas distancias entre moléculas. Debido a esto, la polarización de todos los gases es despreciable y la constante dielectrica están cerca de la unidad. La polarización de un gas puede ser puramente electrónica o dipolar si las moléculas del gas son polares, pero también en este caso la polarización electrónica es de primordial importancia. La polarización de varios gases es mayor cuanto mayor es el radio de la molécula de gas, y es numéricamente cercana al cuadrado del índice de refracción de este gas.
La dependencia de un gas con la temperatura y la presión está determinada por el número de moléculas por unidad de volumen del gas, que es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura absoluta.
El aire en condiciones normales tiene e = 1,0006 y su coeficiente de temperatura tiene un valor de aproximadamente 2. 10 -6 K -1 .
Constante dieléctrica de dieléctricos líquidos.
Los dieléctricos líquidos pueden estar compuestos de moléculas no polares o polares. El valor e de los líquidos no polares está determinado por la polarización de los electrones, por lo que es pequeño, cercano al valor del cuadrado de la refracción de la luz y, por lo general, no supera los 2,5. La dependencia de e de un líquido no polar con la temperatura está asociada con una disminución en el número de moléculas por unidad de volumen, es decir, con una disminución en la densidad, y su coeficiente de temperatura está cerca del coeficiente de temperatura de la expansión del volumen del líquido, pero difiere en signo.
La polarización de los líquidos que contienen moléculas dipolares está determinada simultáneamente por los componentes electrónicos y de relajación dipolar. Tales líquidos tienen cuanto mayor es la constante dieléctrica, mayor es el valor del momento eléctrico de los dipolos. (cm. DIPOLO) y cuanto mayor sea el número de moléculas por unidad de volumen. La dependencia de la temperatura en el caso de líquidos polares es compleja.
Constante dieléctrica de dieléctricos sólidos
A sólidos puede tomar una variedad de valores numéricos de acuerdo con la diversidad características estructurales dieléctrico sólido. En dieléctricos sólidos, todos los tipos de polarización son posibles.
El valor más pequeño de e tiene dieléctricos sólidos, que consisten en moléculas no polares y que solo tienen polarización electrónica.
Los dieléctricos sólidos, que son cristales iónicos con un denso empaquetamiento de partículas, tienen polarizaciones electrónicas e iónicas y tienen valores de e que se encuentran en un amplio rango (e sal de roca - 6; e corindón - 10; e rutilo - 110; e titanato de calcio - 150).
e de varios vidrios inorgánicos, acercándose a la estructura de los dieléctricos amorfos, se encuentra en un rango relativamente estrecho de 4 a 20.
Los dieléctricos orgánicos polares tienen una polarización de relajación dipolar en el estado sólido. La e de estos materiales depende en gran medida de la temperatura y frecuencia del voltaje aplicado, obedeciendo las mismas leyes que para los líquidos dipolares.

Permitividad relativa entorno ε - adimensional cantidad física caracterizar las propiedades de un medio aislante (dieléctrico). Asociado con el efecto de polarización de los dieléctricos bajo la acción de campo eléctrico(y con la susceptibilidad dieléctrica del medio que caracteriza este efecto). El valor de ε muestra cuántas veces la fuerza de interacción de dos cargas eléctricas en un medio es menor que en el vacío. La permitividad relativa del aire y la mayoría de los demás gases en condiciones normales es cercana a la unidad (debido a su baja densidad). Para la mayoría de los dieléctricos sólidos o líquidos, la permitividad relativa oscila entre 2 y 8 (para un campo estático). La constante dieléctrica del agua en un campo estático es bastante alta, alrededor de 80. Sus valores son grandes para sustancias con moléculas que tienen un gran dipolo eléctrico. La permitividad relativa de los ferroeléctricos es de decenas y centenas de miles.

Uso práctico

La permitividad de los dieléctricos es uno de los principales parámetros en el diseño de capacitores eléctricos. El uso de materiales con una constante dieléctrica alta puede reducir significativamente las dimensiones físicas de los condensadores.

El parámetro de permitividad se tiene en cuenta al diseñar placas de circuito impreso. El valor de la constante dieléctrica de la sustancia entre las capas en combinación con su espesor afecta el valor de la capacitancia estática natural de las capas de energía y también afecta significativamente la resistencia de onda de los conductores en el tablero.

Dependencia de frecuencia

Cabe señalar que la permitividad depende en gran medida de la frecuencia del campo electromagnético. Esto siempre debe tenerse en cuenta, ya que las tablas de manual suelen contener datos para un campo estático o bajas frecuencias hasta varias unidades de kHz sin indicar este hecho. Al mismo tiempo, también existen métodos ópticos para obtener la permitividad relativa a partir del índice de refracción utilizando elipsómetros y refractómetros. El valor obtenido por el método óptico (frecuencia 10 14 Hz) diferirá significativamente de los datos de las tablas.

Consideremos, por ejemplo, el caso del agua. En el caso de un campo estático (la frecuencia es cero), la permitividad relativa en condiciones normales es de aproximadamente 80. Este es el caso hasta las frecuencias infrarrojas. Comenzando alrededor de 2 GHz εr comienza a caer En el rango óptico εr es aproximadamente 1.8. Esto es consistente con el hecho de que en el rango óptico el índice de refracción del agua es 1,33. En un rango de frecuencia estrecho, llamado óptico, la absorción dieléctrica cae a cero, lo que en realidad proporciona a una persona un mecanismo de visión en la atmósfera terrestre saturada con vapor de agua. A medida que la frecuencia aumenta aún más, las propiedades del medio cambian nuevamente.

Valores de constantes dieléctricas para algunas sustancias

Sustancia	Fórmula química	Condiciones de medición	El valor característico ε r
Aluminio	Alabama	1kHz	-1300 + 1.3 Patrón: Ei
Plata	agricultura	1kHz	-85 + 8 Patrón: Ei
Vacío	-	-	1
Aire	-	Condiciones de referencia, 0,9 MHz	1,00058986±0,00000050
Dióxido de carbono	CO2	Condiciones normales	1,0009
teflón	-	-	2,1
Nylon	-	-	3,2
Polietileno	[-CH 2 -CH 2 -] norte	-	2,25
Poliestireno	[-CH 2 -C (C 6 H 5) H-] norte	-	2,4-2,7
Goma	-	-	2,4
Betún	-	-	2,5-3,0
disulfuro de carbono	CS2	-	2,6
Parafina	C 18 H 38 - C 35 H 72	-	2,0-3,0
Papel	-	-	2,0-3,5
Polímeros electroactivos	−	−	2-12
Ebonita	(C 6 H 9 S) 2	−	2,5-3,0
Plexiglás (plexiglás)	-	-	3,5
Cuarzo	SiO2	-	3,5-4,5
Sílice	SiO2	−	3,9
Baquelita	-	-	4,5
Concreto	−	−	4,5
Porcelana	−	−	4,5-4,7
Vidrio	−	−	4,7 (3,7-10)
Fibra de vidrio FR-4	-	-	4,5-5,2
Getinax	-	-	5-6

Permitividad relativa

Permitividad relativa El entorno ε es una cantidad física adimensional que caracteriza las propiedades de un medio aislante (dieléctrico). Está relacionado con el efecto de polarización de los dieléctricos bajo la acción de un campo eléctrico (y con el valor de la susceptibilidad dieléctrica del medio que caracteriza este efecto). El valor de ε muestra cuántas veces la fuerza de interacción de dos cargas eléctricas en un medio es menor que en el vacío. La permitividad relativa del aire y la mayoría de los demás gases en condiciones normales es cercana a la unidad (debido a su baja densidad). Para la mayoría de los dieléctricos sólidos o líquidos, la permitividad relativa oscila entre 2 y 8 (para un campo estático). La constante dieléctrica del agua en un campo estático es bastante alta, alrededor de 80. Sus valores son grandes para sustancias con moléculas que tienen un gran dipolo eléctrico. La permitividad relativa de los ferroeléctricos es de decenas y centenas de miles.

Medición

Permitividad relativa de una sustancia εr puede determinarse comparando la capacitancia de un capacitor de prueba con un dieléctrico dado (C x) y la capacitancia del mismo capacitor en el vacío (C o):

Uso práctico

La capacitancia de los capacitores se determina:

dónde εr es la permitividad de la sustancia entre las placas, ε o- constante eléctrica, S- el área de las placas del condensador, d- distancia entre placas.

Dependencia de frecuencia

notas

ver también

Permitividad de vacío (constante eléctrica)

Valores de constantes dieléctricas para algunas sustancias

Sustancia	Fórmula química	Condiciones de medición	El valor característico ε r
Aluminio	Alabama	1kHz	-1300 + 1,3 10 14 i
Plata	agricultura	1kHz	-85 + 8 10 12 yo
Vacío	-	-	1
Aire	-	Condiciones de referencia, 0,9 MHz	1,00058986±0,00000050
Dióxido de carbono	CO2	Condiciones normales	1,0009
teflón	-	-	2,1
Nylon	-	-	3,2
Polietileno	[-CH 2 -CH 2 -] norte	-	2,25
Poliestireno	[-CH 2 -C (C 6 H 5) H-] norte	-	2,4-2,7
Goma	-	-	2,4
Betún	-	-	2,5-3,0
disulfuro de carbono	CS2	-	2,6
Parafina	C 18 H 38 - C 35 H 72	-	2,0-3,0
Papel	-	-	2,0-3,5
Polímeros electroactivos	−	−	2-12

la constante dielectrica medio ambiente - una cantidad física que caracteriza las propiedades de un medio aislante (dieléctrico) y muestra la dependencia de la inducción eléctrica en la fuerza de un campo eléctrico.

Está determinado por el efecto de polarización de los dieléctricos bajo la acción de un campo eléctrico (y con el valor de la susceptibilidad dieléctrica del medio que caracteriza este efecto).

Hay permitividades relativas y absolutas.

La permitividad relativa ε es adimensional y muestra cuántas veces la fuerza de interacción de dos cargas eléctricas en un medio es menor que en el vacío. Este valor para el aire y la mayoría de los demás gases en condiciones normales es cercano a la unidad (debido a su baja densidad). Para la mayoría de los dieléctricos sólidos o líquidos, la permitividad relativa oscila entre 2 y 8 (para un campo estático). La constante dieléctrica del agua en un campo estático es bastante alta, alrededor de 80. Sus valores son grandes para sustancias con moléculas que tienen un gran momento dipolar eléctrico. La permitividad relativa de los ferroeléctricos es de decenas y centenas de miles.

La permitividad absoluta en la literatura extranjera se denota con la letra , en la literatura nacional se utiliza principalmente la combinación ε ε 0 (\displaystyle ~(\varepsilon)(\varepsilon)_(0)), donde es la constante eléctrica. La permitividad absoluta se usa solo en el Sistema Internacional de Unidades (SI), en el que la inducción y la fuerza del campo eléctrico se miden en diferentes unidades. En el sistema CGS, no es necesario introducir la permitividad absoluta. La constante dieléctrica absoluta (así como la constante eléctrica) tiene la dimensión L −3 M −1 T 4 I². En unidades del Sistema Internacional de Unidades (SI) : [ ε 0 (\displaystyle ~(\varepsilon)_(0))]= / .

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En términos generales, la permitividad es un tensor determinado a partir de las siguientes relaciones (la notación usa la convención de Einstein):
re yo = ε 0 ε yo j mi j (\displaystyle ~D_(i)=\varepsilon _(0)\varepsilon _(ij)E_(j)) re = ε un mi (\displaystyle ~\mathbf (D) =(\boldsymbol (\varepsilon))_(a)\mathbf (E) ) mi = mi 1 mi 1 + mi 2 mi 2 + mi 3 mi 3 (\displaystyle ~\mathbf (E) =E_(1)\mathbf (e) _(1)+E_(2)\mathbf (e) _ (2)+E_(3)\mathbf (e) _(3))- vector de intensidad de campo eléctrico, re = re 1 mi 1 + re 2 mi 2 + re 3 mi 3 (\displaystyle ~\mathbf (D) =D_(1)\mathbf (e) _(1)+D_(2)\mathbf (e) _ (2)+D_(3)\mathbf (e) _(3))- vector de inducción eléctrica, ε a = ε 0 ((ε a) yo j) (\displaystyle ~(\boldsymbol (\varepsilon))_(a)=\varepsilon _(0)((\varepsilon _(a))_(ij))) es el tensor de permitividad absoluta.
mi = mi 0 mi yo ω t ⇒ ∂ mi ∂ t = yo ω mi (\displaystyle ~\mathbf (E) =\mathbf (E) _(0)e^(i\omega t)\ \Rightarrow \ (\frac (\parcial \mathbf (E) )(\parcial t))=i\omega \mathbf (E) )

Medición

Permitividad relativa de una sustancia εr puede determinarse comparando la capacitancia de un capacitor de prueba con un dieléctrico dado (C x) y la capacitancia del mismo capacitor en el vacío (C o):
ε r = C X C 0 . (\displaystyle \varepsilon _(r)=(\frac (C_(x))(C_(0))).)
Uso práctico

La permitividad de los dieléctricos es uno de los principales parámetros en el desarrollo de capacitores eléctricos. El uso de materiales con una constante dieléctrica alta puede reducir significativamente las dimensiones físicas de los capacitores.

La capacitancia de los capacitores se determina:
C = ε r ε 0 S re , (\displaystyle C=\varepsilon _(r)\varepsilon _(0)(\frac (S)(d)),)
dónde εr es la permitividad de la sustancia entre las placas, ε o- constante eléctrica, S- el área de las placas del condensador, d- distancia entre placas.

El parámetro de constante dieléctrica se tiene en cuenta al desarrollar placas de circuito impreso. El valor de la constante dieléctrica de la sustancia entre las capas en combinación con su espesor afecta el valor de la capacitancia estática natural de las capas de energía y también afecta significativamente la resistencia de onda de los conductores en el tablero.
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