介电常数的概念_符号_单位_物理意义

众所周知，对于电介质、绝缘材料或非常差的电流导体，当电介质置于电场中时，实际上没有电流在其中流动，因为与金属不同，电介质没有松散束缚的或自由的电子，这些电子可能会在材料中漂移。取而代之的是，发生了极化。电介质中的正电荷在电场方向上微小位移，负电荷在与电场相反的方向上微小移动。这种轻微的电荷分离或极化减少了电介质中的电场。

介电材料的存在影响其他电现象。介电介质中两个电荷之间的力小于真空中的力，而每单位体积的介电介质在电场中存储的能量更大，例如填充有电介质的电容器的电容大于真空中的电容。所以，通过使用介电常数、相对介电常数和极化等概念，在大的或宏观的概念上说明了电介质对电现象的影响。

什么是介电常数、相对介电常数？

介电常数又称介质常数，英文Permittivity，是指将材料中的电场与该材料中的电位移相关联的比例常数，它表明了绝缘材料中的原子电荷在存在电场的情况下发生扭曲的趋势。电荷畸变（也称为电极化）的趋势越大，介电常数的值就越大。

绝缘或电介质材料的介电常数通常用希腊字母epsilon来表示，符号ε；而真空或自由空间的介电常数用ε₀表示。它们的比率ε/ε₀称为相对介电常数（Dielectric Constant/Relative Permittivity），用希腊字母kappa表示, 符号κ。

在合理化的米-千克-秒(mks) 和SI系统中，真空介电常数ε₀的大小为8.854×10 ^-12，其单位和介电常数ε的单位为法拉/米。在mks系统中，介电常数ε和无量纲的相对介电常数κ形式上不同，并与自由空间的介电常数ε₀相关，即ε=κε0。在厘米-克-秒（cgs）系统中，自由空间的介电常数ε0的值被任意选择为1。因此，cgs系统中的介电常数ε和相对介电常数κ是相同的，因为它们都是无量纲数。

其实，任何材料的静态介电常数值总是大于1，即它的真空值。当垂直于晶体的主轴施加电场时，室温（25°C或77 °F）下的介电常数值，空气为1.00059，石蜡为2.25，水为78.2 ，钛酸钡（BaTiO3）约为2000。因为空气的介电常数值几乎与真空的相同，所以实际上空气不会增加电容器的电容。液体和固体的介电常数可以通过将电介质实际电容值与电容器充满空气时的电容值进行比较来确定。

什么是高介电常数？

如果所有其他因素保持不变，则随着介电常数的增加，电通量密度增加。这使得给定尺寸的物体（例如金属板组）能够长时间保持其电荷及保持大量电荷，所以这种材料具有高介电常数。具有高介电常数的材料可用于制造高值电容器。

高介电常数本身不一定是理想的。通常情况下，具有高介电常数的物质在受到强电场时比具有低介电常数的材料更容易分解。例如，干燥的空气具有低介电常数，但它是用于大功率射频 ( RF ) 发射器的电容器的优良介电材料。即使空气确实发生了电介质击穿（电介质突然开始传导电流的情况），击穿也不是永久性的。当过度电场被移除时，空气恢复到其正常的介电状态。但是，诸如聚乙烯或玻璃之类的固体高介电物质可能会遭受永久性损坏。

介电常数的计算

简单来说，介电常数也可以定义为两个金属板之间有绝缘体的电容与它们之间有空气或真空的相同金属板的电容之比。当用于需要高电容的电子电气应用时，可能需要具有更高介电常数的绝缘材料。 如果将一种材料用于严格绝缘的目的，最好具有较低的介电常数。

介电常数公式为 ：

其中：

• C=使用该材料作为介电电容器的电容。
• C₀=使用真空作为电介质的电容。
• ε₀=自由空间的介电常数（8.85 x 10 ^-12 F/m，即法拉/米）
• A=板面积/样品横截面积
• T=样品厚度

介电常数单位：法/米；在cgs系统中，它是无量纲单位。

计算塑料介电常数最常用的标准测试是：ASTM D2520、ASTM D150或IEC 60250 （当然还有其他几种方法，这里就不介绍了）。

测量主要过程包括：

• 将样品置于两个金属板之间并测量电容。在两个电极之间没有样品的情况下测量第二次运行。这两个值的比值就是介电常数。
• 测试可以在不同的频率下进行，通常在10Hz和2MHz范围之间。
• 样品必须平整且大于用于测量的50毫米（2 英寸）圆形电极。

关于极性塑料与非极性塑料

聚合物的介电性能很大程度上取决于它们的结构。结构决定了聚合物是极性的还是非极性的，这反过来又决定了聚合物的电性能。

在极性聚合物（PMMA、PVC、尼龙、PC等）中，由于电子分布不平衡而产生偶极子。这些偶极子倾向于在存在电场的情况下对齐。因此，这会产生材料的偶极极化，从而使这些材料仅作为绝缘体表现良好。

而非极性聚合物（PTFE、PP、PE、PS）具有对称分子并且是真正共价的。它们中不存在极性偶极子，因此在存在电场的情况下不会对齐偶极子。然而，由于电子在电场方向上的移动，会发生轻微的电子极化，这实际上是瞬时的。这些聚合物具有高电阻率和低介电常数。

极性塑料倾向于从大气中吸收水分，水分的存在会提高介电常数并降低电阻率。随着温度的升高，聚合物链的运动更快，偶极子的排列也更快。这总是会提高极性塑料的介电常数值。但是，非极性塑料不受水分和温度升高的影响。

影响介电常数的因素

• 频率 - 介电常数随着频率的增加而突然降低。
• 湿度和温度。
• 电压。
• 结构和形态（参见极性塑料与非极性塑料）。
• 塑料中存在其他材料。
• 风化和老化。

常见材料的介电常数

下面是某些物质的相对介电常数。请注意，对于大多数材料，介电常数可能会随温度而变化。

注意：水的介电常数在0 ^o C (32 ^o F)时为88，随温度升高而下降。介电常数在20 ^o C (212 ^o F)时为80，在100 ^o C (212 ^o F)时为55.3 。

总结

介电常数是由两个板之间的材料形成的电容与以空气为电介质的相同板的电容之比。对于低兆赫兹，频率小于等于1,000 MHz。对于高兆赫，频率大于1,000 MHz。

绝缘材料以两种方式使用：将电气系统的组件彼此绝缘并支撑其与地面，以及用作电容器的电介质。低介电常数值是高频或功率应用的首选，以最大限度地减少电力损失。对于小尺寸的电容应用，建议使用高介电常数值。