相對介電常數(shù)原理與應(yīng)用

相對介電常數(shù)原理

介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場比值即為介電常數(shù)（permittivity），又稱誘電率。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場強(qiáng)度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。

電介質(zhì)經(jīng)常是絕緣體。其例子包括瓷器（陶器）、云母、玻璃、塑料和各種金屬氧化物。有些液體和氣體可以作為好的電介質(zhì)材料。干空氣是良好的電介質(zhì)，并被用在可變電容器以及某些類型的傳輸線。蒸餾水如果保持沒有雜質(zhì)的話是好的電介質(zhì)，其相對介電常數(shù)約為80。

一個電容板中充入介電常數(shù)為ε的物質(zhì)后，電容變大ε倍。

相對介電常數(shù)應(yīng)用

電介質(zhì)有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性。例如，當(dāng)一個電介質(zhì)材料放在兩個電荷之間，它會減少作用在它們之間的電場力，就像它們被移遠(yuǎn)了一樣。

當(dāng)電磁波穿過電介質(zhì)，波的速度被減小，有更短的波長 。

相對介電常數(shù)常見物質(zhì)的 ε_r

條件為室溫下，測試頻率為1KHz。

H₂O（水） 78.5

HCOOH （甲酸） 58.5

HCON(CH₃)₂（N, N-二甲基甲酰胺） 36.7

CH₃OH（甲醇） 32.7

C₂H₅OH（乙醇） 24.5

CH₃COCH₃（丙酮） 20.7

n-C₆H₁₃OH （正己醇） 13.3

CH₃COOH （乙酸或醋酸） 6.15

C₆H₆（苯） 2.28

CCl₄（四氯化碳） 2.24

n-C₆H₁₄（正己烷） 1.88

n-C₄H₁₀（四號溶劑） 1.78

相對介電常數(shù)ε_r可以用靜電場用如下方式測量：首先在兩塊極板之間為真空的時候測試電容器的電容C₀。然后，用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質(zhì)后測得電容C_x。相對介電常數(shù)可以用下式計算：

ε_r＝C_x/C₀

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對電容率ε_r＝1.00053。因此，用這種電極構(gòu)形在空氣中的電容C_a代替C₀來測量相對電容率ε_r時，也有足夠的準(zhǔn)確度。（參考GB/T 1409-2006）

對于時變電磁場，物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關(guān)，通常稱為介電系數(shù)。

介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場比值即為相對介電常數(shù)（relative permittivity 或 dielectric constant），又稱誘電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場強(qiáng)度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。理想導(dǎo)體的相對介電常數(shù)為無窮大。

根據(jù)物質(zhì)的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)在2.8~3.6范圍內(nèi)的物質(zhì)為弱極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。

相對介電常數(shù)測量

相對介電常數(shù)ε_r可以用靜電場用如下方式測量：首先在其兩塊極板之間為空氣的時候測試電容器的電容C₀。然后，用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質(zhì)后側(cè)得電容C_x。最后，相對介電常數(shù)可以用下式計算：

ε_r＝C_x/C₀。

相對介電常數(shù)簡介

對于時變電磁場，物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關(guān)，通常稱為介電系數(shù)。

介電常數(shù)又叫介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性的一個系數(shù)，以希臘字母ε表示，單位為F/m（法拉/米）。

相對介電常數(shù)公式：C＝(εS)/(4πkd)（平行電容計算）

電容器的極板間充滿電介質(zhì)時的電容與極板間為真空時的電容之比值稱為（相對）介電常數(shù)。

電容器極板間充滿電介質(zhì)時，電容增大的倍數(shù)叫做電介質(zhì)的介電常數(shù)，用ε表示。

平行板電容計算公式 C＝(εS)/(4πkd) 中，ε就是介電常數(shù)。

相對介電常數(shù)通常是通過測量試樣與電極組成的電容、試樣厚度和電極尺寸求得。

應(yīng)用三電極時，對于平板試樣，由于平板電容Cx的計算公式是根據(jù)實際經(jīng)驗修正為

對于管狀試樣，由于圓柱形電容Cx的計算公式是根據(jù)實際經(jīng)驗修正為

式中Cx為試樣電容(法)，L為電極長度(米)，D1為電極直徑(米)，g為電極間的間隙(米)，d為試樣厚度(米)，r1、r2為試樣的內(nèi)外半徑。應(yīng)用二電極時式中Cx為試樣電容，Cm為測量電容,C0為試樣的幾何電容，Ce為試樣的邊緣電容，Cg為試樣的對地電容。

介質(zhì)損耗角正切(tanδ)的測定 通過測量試樣的等效參數(shù)經(jīng)計算求得。也可在儀器上直讀。在工頻、音頻下一般都用電橋法測量,高電壓時采用西林電橋法（圖2）。電橋平衡時式中CN為標(biāo)準(zhǔn)電容，C4為可調(diào)電容，R4為固定電阻,R3為可調(diào)電阻。

當(dāng)頻率為幾十千赫到幾百兆赫范圍時，可用集總參數(shù)的諧振法進(jìn)行測量（圖3）。使頻率和電感保持恒定，在接入試樣和不接試樣時調(diào)節(jié)調(diào)諧電容使電路諧振。若接試樣時C=Cs，不接試樣時C=Cns，則試樣電容的測量結(jié)果是

Cx=Cns-Cs

這時可用變Q值法和變電納法計算試樣的tanδx。在變Q值法中是根據(jù)接入試樣且回路諧振時的Q值(Qi)與不接試樣且回路諧振時的Q值(Q0)的變化來計算損耗角正切，即式中Cr是回路的總電容，除諧振電容外，包括試樣的零電容、接線電容等。變電納法是根據(jù)接試樣時諧振曲線的半功率點的寬度△C1(圖4)和不接試樣時相應(yīng)的寬度△C0的變化來計算損耗角正切，即　在這些測試中，選擇電極極為重要。常用的是接觸式電極?？捎谜迟N鋁箔、燒銀、真空鍍鋁等方法制作電極，但后者不能在高頻下使用。低頻測量時，試樣與電極應(yīng)屏蔽。在高頻下可用測微電極以減小引線影響。在某些特殊場合，可用不接觸電極，例如薄膜介電性能測試和頻率高于30兆赫時介電性能的測量。2100433B

鋰輝石陶瓷是一種化學(xué)物質(zhì)，分子式是Li₂O·Al₂O₃·4SiO₂。相對介電常數(shù)8.5～9。

濕敏陶瓷1.電阻型濕敏陶瓷材料

這是一類研究最多、應(yīng)用最廣的濕敏陶瓷材料。典型的瓷料是MgCrzO系統(tǒng)，其主要晶相是MgCr2O。TiO作為摻雜改性成分 。

濕敏陶瓷2.電容型濕敏陶瓷材料

電容型濕度傳感器是利用其電容量和濕度呈線性關(guān)系而受到重視，Al₂O₃膜很容易吸附水汽。多孔氧化鋁的相對介電常數(shù)為1~10，空氣的相對介電常數(shù)約等于1，水的相對介電常數(shù)約為80。可見，當(dāng)水汽代替介質(zhì)中孔內(nèi)的空氣時，介質(zhì)的相對介電常數(shù)將發(fā)生很大變化，因而引起元件的電容量變化。Al₂O₃膜在20世紀(jì)70年代采用厚膜技術(shù)制備，即介質(zhì)是采用相對介電常數(shù)近70的陶瓷細(xì)粉印刷而成，它的傳感性能較好，同時具有體積小、可靠性高、成本低、易于和其他厚膜元件.集成電路相配合等優(yōu)點。近年來，隨著薄膜集成電路的應(yīng)用和鍍膜技術(shù)的發(fā)展,氧化物和其他化合物也能形成鍍膜，因而研制成了薄膜型濕度傳感器。電容型濕敏陶瓷材料有Al₂O₃、Ta₂O₃、Nb₂O₅、CaF、TaN等。

濕敏陶瓷3.阻抗型濕敏陶瓷材料

當(dāng)前，這種類型的濕度傳感器已較少應(yīng)用。感濕體是以Al2O膜為介質(zhì)的阻抗元件。它是在厚為0.38 mm的高純鋁金屬板上，采用陽極氧化的方法,在鋁極表面形成Al₂O₃膜，再經(jīng)185攝氏度、16h的熱處理而制成的。