介质介电常数：空气、水、真空、公式、如何测量

电荷在不同的介质中以不同的强度相互作用，由库仑定律确定。这些介质的特性由称为介电常数的量决定。

内容

根据 库仑定律两个点状固定电荷 q1 和2 在真空中与公式 F 给出的力相互作用分类= ((1/4)*π* ε)*(|q1|*|q2|/r2）， 在哪里：

如果相互作用不在真空中发生，则公式中包含另一个量，该量决定了物质对库仑力的影响，库仑定律的符号如下所示：

F=((1/4)*π* ε* ε)*(|q1|*|q2|/r2).

这个量用希腊字母 ε (epsilon) 表示，它是无量纲的（没有测量单位）。介电常数是物质中电荷相互作用的衰减系数。

在物理学中，介电常数通常与电常数结合使用，在这种情况下，引入绝对介电常数的概念会很方便。这用 ε 表示一个 并且等于 ε一个= ε* ε。在这种情况下，绝对磁导率的尺寸为 F/m。法向渗透率 ε 也称为相对渗透率，以区别于 ε一个.

介电常数的本质是基于电场作用下的极化现象。大多数物质通常是电中性的，尽管它们确实包含带电粒子。这些粒子杂乱无章地排列在大量物质中，它们的电场平均相互抵消。

电介质主要包含束缚电荷（称为偶极子）。这些偶极子通常代表两个不同粒子的束，它们沿着电介质的厚度自发定向，并且平均产生零电场强度。在外场的作用下，偶极子倾向于根据所施加的力来定向。结果，产生了额外的电场。类似的现象发生在非极性电介质中。

在导体中，过程是相似的，只是有自由电荷在外场的作用下分离并产生自己的电场。该场指向外部场，屏蔽电荷并降低它们的相互作用力。物质的极化能力越大，ε就越高。

不同的物质具有不同的介电常数。其中一些的 ε 值如表 1 所示。显然，这些值大于 1，因此与真空相比，电荷的相互作用总是减小。还需要注意的是，对于空气，ε 略大于一，因此空气中电荷的相互作用实际上与真空中的相互作用没有区别。

表 1. 各种物质的电导率值。

在实践中了解 ε 的值很重要，例如在电容器的设计中。他们的 电容 取决于壳的尺寸、它们之间的距离和电介质的介电常数。

如果你想做 一个电容器 如果电极具有更高的电容，则增加盖的面积会导致尺寸增加。减小电极之间的距离也存在实际限制。在这种情况下，使用具有更高介电常数的绝缘体会有所帮助。如果使用具有更高ε的材料，则电极的尺寸可以减小很多倍，或者可以增加它们之间的距离而不会损失 电容.

另一类物质称为分段电，在某些条件下具有自发极化。在所考虑的领域中，它们具有两个特点：

这些特性用于制造具有小质量和尺寸的高容量电容器（由于绝缘体的介电常数增加）。

这种设备只在低频交流电路中工作——随着频率的增加，它们的介电常数会降低。铁电体的另一个应用是可变电容器，其特性在所施加电场的影响下随参数变化而变化。

介电损耗，即在电介质中因发热而损失的部分能量，也取决于介电常数。参数 tg δ（介电损耗角的正切）通常用于描述这些损耗。它表征了电容器中介电损耗的功率，其中电介质由具有 tg δ 的材料制成。每种物质的比损失功率由公式 p=E 定义2*ώ*ε*ε*tg δ，其中：

显然，介电常数越高，在所有其他条件相同的情况下，电介质中的损耗就越高。

应该注意的是，介电常数的值取决于电场的频率（在这种情况下，是施加到面层上的电压的频率）。随着频率的增加，许多物质中的 ε 值减小。这种效应对于极性电介质很明显。这种现象可以通过电荷（偶极子）不再有时间跟随场的事实来解释。对于以离子或电子极化为特征的物质，介电常数对频率的依赖性很小。

这就是为什么选择制造电容器电介质的材料如此重要的原因。在低频下工作的东西不一定会在高频下产生高质量的绝缘。通常，非极性电介质在高频下用作绝缘体。

此外，介电常数取决于温度，并且因物质而异。在非极性电介质中，它随着温度的升高而下降。在这种情况下，对于用这种绝缘体制成的电容器，我们称之为负电容温度系数 (TKE) - 电容 在 ε 之后随着温度的升高而下降。其他物质随温度升高磁导率较高，有可能获得具有正TKE的电容器。通过将电容器与相反的 TKE 配对，可以获得热稳定电容。

了解各种物质的介电常数的本质和知识对于实际目的很重要。控制介电常数水平的能力提供了额外的技术视角。

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