Die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist gleich. Dielektrizitätskonstante

DIE DIELEKTRISCHE KONSTANTE (Dielektrizitätskonstante) ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Stoffes charakterisiert, die Kräfte der elektrischen Wechselwirkung in diesem Stoff im Vergleich zum Vakuum zu reduzieren. Somit zeigt d.p., wie oft die Kräfte der elektrischen Wechselwirkung in einem Stoff geringer sind als im Vakuum.

D.p. ist eine Eigenschaft, die von der Struktur der dielektrischen Substanz abhängt. Elektronen, Ionen, Atome, Moleküle bzw. deren einzelne Teile und größere Abschnitte eines Stoffes in einem elektrischen Feld werden polarisiert (siehe Polarisation), was zu einer teilweisen Neutralisierung des äußeren elektrischen Feldes führt. Wenn die Frequenz des elektrischen Feldes mit der Polarisationszeit des Stoffes korrespondiert, dann kommt es in einem bestimmten Frequenzbereich zu einer Dispersion des Dispersionsfaktors, also der Abhängigkeit seines Wertes von der Frequenz (siehe Dispersion). Die Kraft eines Stoffes hängt sowohl von den elektrischen Eigenschaften der Atome und Moleküle als auch von deren relativer Anordnung, also der Struktur des Stoffes, ab. Daher wird die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit oder ihrer Änderungen in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen bei der Untersuchung der Struktur eines Stoffes und insbesondere verschiedener Gewebe des Körpers verwendet (siehe Elektrische Leitfähigkeit biologischer Systeme).

Verschiedene Stoffe (Dielektrika) haben je nach Struktur und Aggregatzustand unterschiedliche d.p.-Werte (Tabelle).

Tisch. Der Wert der Dielektrizitätskonstante einiger Stoffe

Von besonderer Bedeutung für die medizinische Biol-Forschung ist das Studium von D. und. in polaren Flüssigkeiten. Ein typischer Vertreter davon ist Wasser, das aus Dipolen besteht, die aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Ladungen des Dipols und dem Feld in einem elektrischen Feld ausgerichtet sind, was zum Auftreten einer Dipol- oder Orientierungspolarisation führt. Der hohe d.p.-Wert von Wasser (80 bei t° 20°) bestimmt den hohen Dissoziationsgrad verschiedener darin enthaltener Chemikalien. Stoffe und gute Löslichkeit von Salzen, Verbindungen, Basen und anderen Verbindungen (siehe Dissoziation, Elektrolyte). Mit zunehmender Konzentration des Elektrolyten im Wasser nimmt der Wert seines DP ab (bei einwertigen Elektrolyten verringert sich beispielsweise der DP von Wasser um eins, wenn die Salzkonzentration um 0,1 M ansteigt).

Die meisten biologischen Objekte gehören zu heterogenen Dielektrika. Bei der Wechselwirkung von Ionen eines biologischen Objekts mit einem elektrischen Feld ist die Polarisation der Grenzflächen von erheblicher Bedeutung (siehe Biologische Membranen). Dabei ist der Betrag der Polarisation umso größer, je niedriger die Frequenz des elektrischen Feldes ist. Da die Polarisation der Grenzflächen eines Biols, eines Objekts von deren Permeabilität (siehe) für Ionen abhängt, ist es offensichtlich, dass der effektive D. p. weitgehend vom Zustand der Membranen bestimmt wird.

Da die Polarisation eines so komplexen heterogenen Objekts wie eines biologischen Objekts unterschiedlicher Natur ist (Konzentration, Makrostruktur, Orientierung, ionisch, elektronisch usw.), wird deutlich, dass sich der Dispersionsfaktor (Dispersion) mit zunehmender Häufigkeit stark ändert ausgedrückt. Herkömmlicherweise werden drei Bereiche der Streuung der dynamischen Frequenz unterschieden: Alpha-Streuung (bei Frequenzen bis zu 1 kHz), Beta-Streuung (Frequenz von mehreren kHz bis zu mehreren zehn MHz) und Gamma-Streuung (Frequenzen über 10 9 Hz); Bei biologischen Objekten gibt es normalerweise keine klare Grenze zwischen den Ausbreitungsgebieten.

Mit der Verschlechterung der Funktion und des Zustands des Biols nimmt die Streuung von D. p. bei niedrigen Frequenzen ab, bis es vollständig verschwindet (mit Gewebetod). Bei hohen Frequenzen ändert sich der d.p.-Wert nicht wesentlich.

D.p. werden in einem breiten Frequenzbereich gemessen und je nach Frequenzbereich ändern sich auch die Messmethoden erheblich. Bei Frequenzen des elektrischen Stroms von weniger als 1 Hz erfolgt die Messung durch Laden oder Entladen eines mit der Prüfsubstanz gefüllten Kondensators. Wenn man die Abhängigkeit des Lade- oder Entladestroms von der Zeit kennt, ist es möglich, nicht nur den Wert der elektrischen Kapazität des Kondensators, sondern auch die darin enthaltenen Verluste zu bestimmen. Bei Frequenzen von 1 bis 3 · 10 8 Hz zur Messung von D. und. Es kommen spezielle Resonanz- und Brückenmethoden zum Einsatz, die es ermöglichen, Veränderungen der dynamischen Eigenschaften verschiedener Stoffe umfassend und umfassend zu untersuchen.

In der medizinisch-biologischen Forschung werden am häufigsten symmetrische Wechselstrombrücken mit direkter Ablesung der Messgrößen eingesetzt.

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Die Dielektrizitätskonstante- Dies ist einer der Hauptparameter, die die elektrischen Eigenschaften von Dielektrika charakterisieren. Mit anderen Worten: Es bestimmt, wie gut ein bestimmtes Material isoliert.

Der Wert der Dielektrizitätskonstante zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Induktion im Dielektrikum von der darauf einwirkenden elektrischen Feldstärke. Darüber hinaus wird sein Wert nicht nur von den physikalischen Eigenschaften des Materials oder Mediums selbst beeinflusst, sondern auch von der Frequenz des Feldes. In Fachbüchern wird in der Regel der gemessene Wert für ein statisches oder niederfrequentes Feld angegeben.

Es gibt zwei Arten von Dielektrizitätskonstanten: absolute und relative.

Relative Dielektrizitätskonstante zeigt das Verhältnis der isolierenden (dielektrischen) Eigenschaften des untersuchten Materials zu ähnlichen Eigenschaften des Vakuums. Es charakterisiert die isolierenden Eigenschaften eines Stoffes im gasförmigen, flüssigen oder festen Zustand. Das heißt, es ist auf fast alle Dielektrika anwendbar. Der Wert der relativen Dielektrizitätskonstante liegt bei Stoffen im gasförmigen Zustand in der Regel im Bereich von 1. Bei Flüssigkeiten und Feststoffen kann er in einem sehr weiten Bereich liegen – von 2 bis nahezu unendlich.

Beispielsweise beträgt die relative Dielektrizitätskonstante von Süßwasser 80 und die von Ferroelektrika je nach Materialeigenschaften mehrere zehn oder sogar hunderte Einheiten.

Absolute Dielektrizitätskonstante ist ein konstanter Wert. Es charakterisiert die isolierenden Eigenschaften eines bestimmten Stoffes oder Materials, unabhängig von seinem Standort und den darauf einwirkenden äußeren Faktoren.

Verwendung

Die Dielektrizitätskonstante bzw. deren Werte werden bei der Entwicklung und dem Design neuer elektronischer Komponenten, insbesondere Kondensatoren, verwendet. Die zukünftigen Abmessungen und elektrischen Eigenschaften des Bauteils hängen von seinem Wert ab. Dieser Wert wird auch bei der Entwicklung ganzer elektrischer Schaltkreise (insbesondere in der Hochfrequenzelektronik) und sogar berücksichtigt

Jede Substanz oder jeder Körper, der uns umgibt, hat bestimmte elektrische Eigenschaften. Dies wird durch die molekulare und atomare Struktur erklärt: das Vorhandensein geladener Teilchen, die sich in einem aneinander gebundenen oder freien Zustand befinden.

Wenn kein äußeres elektrisches Feld auf die Substanz einwirkt, sind diese Partikel so verteilt, dass sie sich gegenseitig ausgleichen und kein zusätzliches elektrisches Feld im gesamten Volumen erzeugen. Wenn elektrische Energie von außen zugeführt wird, kommt es im Inneren von Molekülen und Atomen zu einer Ladungsumverteilung, die zur Entstehung eines eigenen inneren elektrischen Feldes führt, das dem äußeren entgegengerichtet ist.

Wenn der Vektor des angelegten äußeren Feldes mit „E0“ und das innere Feld mit „E“ bezeichnet wird, dann ist das Gesamtfeld „E“ die Summe der Energien dieser beiden Größen.

In der Elektrizität ist es üblich, Stoffe zu unterteilen in:

Dirigenten;

Dielektrika.

Diese Einteilung gibt es schon seit langem, allerdings ist sie eher willkürlich, da viele Körper andere oder kombinierte Eigenschaften haben.

Dirigenten

Als Dirigenten fungieren Medien mit kostenlosen Gebühren. Am häufigsten fungieren Metalle als Leiter, da ihre Struktur immer freie Elektronen enthält, die sich im gesamten Volumen des Stoffes bewegen können und gleichzeitig an thermischen Prozessen beteiligt sind.

Wenn ein Leiter von der Einwirkung äußerer elektrischer Felder isoliert wird, entsteht in ihm aus Ionengittern und freien Elektronen ein Gleichgewicht positiver und negativer Ladungen. Dieses Gleichgewicht wird bei der Anwendung sofort zerstört – dank der Energie beginnt die Umverteilung geladener Teilchen und es erscheinen unausgeglichene Ladungen positiver und negativer Mengen auf der Außenfläche.

Dieses Phänomen wird üblicherweise als bezeichnet elektrostatische Induktion. Die Ladungen, die auf der Oberfläche von Metallen entstehen, nennt man Induktionsladungen.

Die im Leiter gebildeten induktiven Ladungen bilden ihr eigenes Feld E und kompensieren den Effekt des externen E0 im Inneren des Leiters. Daher wird der Wert des gesamten elektrostatischen Feldes kompensiert und ist gleich 0. In diesem Fall sind die Potentiale aller Punkte Innen und Außen sind gleich.

Die daraus resultierende Schlussfolgerung zeigt, dass es im Inneren des Leiters selbst bei angeschlossenem externen Feld keine Potentialdifferenz und keine elektrostatischen Felder gibt. Diese Tatsache wird bei der Abschirmung ausgenutzt – der Anwendung einer Methode zum elektrostatischen Schutz von Personen und elektrischen Geräten, die gegenüber induzierten Feldern empfindlich sind, insbesondere hochpräzise Messgeräte und Mikroprozessorgeräte.

Abgeschirmte Kleidung und Schuhe aus Stoffen mit leitfähigen Fäden, einschließlich Kopfbedeckungen, werden im Energiesektor verwendet, um Personal zu schützen, das unter Bedingungen erhöhter Spannung arbeitet, die durch Hochspannungsgeräte verursacht werden.

Dielektrika

So werden Stoffe bezeichnet, die isolierende Eigenschaften haben. Sie enthalten nur Verbundentgelte und keine kostenlosen Entgelte. Für sie werden alle positiven und negativen Teilchen in einem neutralen Atom zusammengehalten und haben keine Bewegungsfreiheit. Sie sind im Dielektrikum verteilt und bewegen sich unter der Einwirkung des angelegten äußeren Feldes E0 nicht.

Seine Energie verursacht jedoch immer noch gewisse Veränderungen in der Struktur der Substanz – innerhalb der Atome und Moleküle ändert sich das Verhältnis von positiven und negativen Teilchen, und auf der Oberfläche der Substanz erscheinen überschüssige, unausgeglichene gebundene Ladungen, die ein internes elektrisches Feld E bilden. Sie ist der von außen ausgeübten Spannung entgegen gerichtet.

Dieses Phänomen nennt man dielektrische Polarisation. Es zeichnet sich dadurch aus, dass im Inneren der Substanz ein elektrisches Feld E entsteht, das durch die Einwirkung der äußeren Energie E0 entsteht, aber durch die Gegenwirkung der inneren Energie E geschwächt wird.

Arten der Polarisation

Es gibt zwei Arten innerhalb von Dielektrika:

1. Orientierung;

2. elektronisch.

Der erste Typ hat den Zusatznamen Dipolpolarisation. Es ist Dielektrika mit verschobenen Zentren negativer und positiver Ladungen eigen, die aus mikroskopisch kleinen Dipolen Moleküle bilden – einer neutralen Kombination zweier Ladungen. Dies ist typisch für Wasser, Stickstoffdioxid und Schwefelwasserstoff.

Ohne Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes orientieren sich die molekularen Dipole solcher Stoffe unter dem Einfluss vorhandener Temperaturprozesse chaotisch. In diesem Fall gibt es an keiner Stelle im Innenvolumen und an der Außenfläche des Dielektrikums elektrische Ladung.

Dieses Bild ändert sich unter dem Einfluss von außen angelegter Energie, wenn die Dipole ihre Ausrichtung leicht ändern und Bereiche mit unkompensierten makroskopisch gebundenen Ladungen auf der Oberfläche erscheinen, die ein Feld E" in der entgegengesetzten Richtung zum angelegten E0 bilden.

Bei einer solchen Polarisation hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die Prozesse, verursacht thermische Bewegungen und führt zu desorientierenden Faktoren.

Elektronische Polarisation, elastischer Mechanismus

Es manifestiert sich in unpolaren Dielektrika – Materialien anderer Art mit Molekülen ohne Dipolmoment, die unter dem Einfluss eines äußeren Feldes so verformt werden, dass positive Ladungen in Richtung des E0-Vektors ausgerichtet sind und negative Ladungen sind in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet.

Dadurch wirkt jedes der Moleküle als elektrischer Dipol, der entlang der Achse des angelegten Feldes ausgerichtet ist. Auf diese Weise erzeugen sie auf der Außenfläche ein eigenes Feld E in entgegengesetzter Richtung.

In solchen Stoffen hängt die Verformung von Molekülen und damit die Polarisation durch den Einfluss eines äußeren Feldes nicht von ihrer Bewegung unter Temperatureinfluss ab. Ein Beispiel für ein unpolares Dielektrikum ist Methan CH4.

Der numerische Wert des inneren Feldes beider Arten von Dielektrika ändert sich zunächst direkt proportional zur Zunahme des äußeren Feldes, und wenn die Sättigung erreicht ist, treten nichtlineare Effekte auf. Sie treten auf, wenn alle molekularen Dipole entlang der Feldlinien polarer Dielektrika ausgerichtet sind oder Änderungen in der Struktur einer unpolaren Substanz aufgrund starker Verformung von Atomen und Molekülen aufgrund großer, von außen zugeführter Energie aufgetreten sind.

In der Praxis kommen solche Fälle selten vor – meist kommt es zuerst zu einem Durchschlag oder Isolationsversagen.

Die Dielektrizitätskonstante

Unter den Isoliermaterialien spielen elektrische Eigenschaften und Indikatoren wie z die Dielektrizitätskonstante. Es kann anhand zweier unterschiedlicher Merkmale beurteilt werden:

1. absoluter Wert;

2. relative Größe.

Der Begriff absolute Dielektrizitätskonstante Substanzen εa werden verwendet, wenn auf die mathematische Notation des Coulombschen Gesetzes Bezug genommen wird. Er verbindet in Form des Koeffizienten εа den Induktionsvektor D und die Spannung E.

Erinnern wir uns daran, dass der französische Physiker Charles de Coulomb mithilfe seiner eigenen Torsionswaagen die Muster elektrischer und magnetischer Kräfte zwischen kleinen geladenen Körpern untersuchte.

Die Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstante eines Mediums dient zur Charakterisierung der Isoliereigenschaften eines Stoffes. Es bewertet das Verhältnis der Wechselwirkungskraft zwischen zwei Punktladungen unter zwei verschiedenen Bedingungen: im Vakuum und in einer Arbeitsumgebung. In diesem Fall werden die Vakuumindikatoren mit 1 (εv=1) angenommen und sind für reale Substanzen immer höher, εr>1.

Der numerische Ausdruck εr wird als dimensionslose Größe dargestellt, durch den Polarisationseffekt von Dielektrika erklärt und zur Bewertung ihrer Eigenschaften verwendet.

Dielektrizitätskonstantenwerte für einzelne Medien(bei Raumtemperatur)

Vorlesung Nr. 19

1. Die Art der elektrischen Leitfähigkeit gasförmiger, flüssiger und fester Dielektrika

Die Dielektrizitätskonstante

Relative Dielektrizitätskonstante oder Dielektrizitätskonstante ε- einer der wichtigsten makroskopischen elektrischen Parameter eines Dielektrikums. Die Dielektrizitätskonstanteε charakterisiert quantitativ die Fähigkeit eines Dielektrikums, in einem elektrischen Feld polarisiert zu werden, und bewertet auch den Grad seiner Polarität; ε ist eine Konstante eines dielektrischen Materials bei einer bestimmten Temperatur und Frequenz der elektrischen Spannung und gibt an, wie oft die Ladung eines Kondensators mit Dielektrikum größer ist als die Ladung eines Kondensators gleicher Größe mit Vakuum.

Die Dielektrizitätskonstante bestimmt den Wert der elektrischen Kapazität eines Produkts (Kondensator, Kabelisolierung usw.). Bei einem Parallelplattenkondensator beträgt die elektrische Kapazität MIT,Ф, ausgedrückt durch Formel (1)

wobei S die Fläche der Messelektrode ist, m2; h ist die Dicke des Dielektrikums, m. Aus Formel (1) geht hervor, dass der Wert umso größer ist ε Je größer das verwendete Dielektrikum, desto größer ist die elektrische Kapazität des Kondensators bei gleichen Abmessungen. Die elektrische Kapazität C wiederum ist der Proportionalitätskoeffizient zwischen der Oberflächenladung QK, akkumulierter Kondensator und eine daran angelegte elektrische Spannung

Garnieren U(2):

Aus Formel (2) folgt die elektrische Ladung QK, Der vom Kondensator akkumulierte Wert ist proportional zum Wert ε Dielektrikum. Wissen QK und die geometrischen Abmessungen des Kondensators können bestimmt werden ε dielektrisches Material für eine bestimmte Spannung.

Betrachten wir den Mechanismus der Ladungsbildung QK an den Elektroden eines Kondensators mit einem Dielektrikum und aus welchen Bestandteilen diese Ladung besteht. Dazu nehmen wir zwei Flachkondensatoren mit gleichen geometrischen Abmessungen: einen mit Vakuum, den anderen mit einem mit einem Dielektrikum gefüllten Zwischenelektrodenraum, und legen an sie die gleiche elektrische Spannung an U(Abb. 1). An den Elektroden des ersten Kondensators bildet sich eine Ladung Q0, an den Elektroden des zweiten - QK. Im Gegenzug die Gebühr QK ist die Summe der Gebühren Q0 Und Q(3):

Aufladung Q 0 entsteht durch das äußere Feld E0 durch Ansammlung fremder Ladungen mit der Oberflächendichte σ 0 auf den Elektroden des Kondensators. Q- Dies ist eine zusätzliche Ladung an den Elektroden des Kondensators, die von einer elektrischen Spannungsquelle erzeugt wird, um die gebundenen Ladungen zu kompensieren, die sich auf der Oberfläche des Dielektrikums bilden.

In einem gleichmäßig polarisierten Dielektrikum ist die Ladung Q entspricht der Oberflächendichte gebundener Ladungen σ. Die Ladung σ bildet ein Feld E сз, das dem Feld E O entgegengesetzt gerichtet ist.

Die Dielektrizitätskonstante des jeweiligen Dielektrikums kann als Ladungsverhältnis dargestellt werden QK Kondensator zum Aufladen mit Dielektrikum gefüllt Q0 der gleiche Kondensator mit Vakuum (3):

Aus Formel (3) folgt die Dielektrizitätskonstante ε - die Größe ist dimensionslos und für jedes Dielektrikum größer als eins; im Falle von Vakuum ε = 1. Auch aus dem betrachteten Beispiel

Es ist ersichtlich, dass die Ladungsdichte an den Elektroden eines Kondensators mit einem Dielektrikum in ε mal die Ladungsdichte an den Elektroden eines Kondensators im Vakuum und die Spannungen bei gleichen Spannungen für beide

Ihre Kondensatoren sind gleich und hängen nur von der Spannung ab U und Abstände zwischen den Elektroden (E = U/h).

Zusätzlich zur relativen Dielektrizitätskonstante ε unterscheiden absolute Dielektrizitätskonstante ε a, F/m, (4)

das keine physikalische Bedeutung hat und in der Elektrotechnik verwendet wird.

Die relative Änderung der Dielektrizitätskonstante εr bei einer Temperaturerhöhung um 1 K wird als Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante bezeichnet.

ТКε = 1/ εr d εr/dT К-1 Für Luft bei 20°С ТК εr = -2,10-6К-

Die elektrische Alterung in Ferroelektrika wird als eine Abnahme von εr mit der Zeit ausgedrückt. Der Grund liegt in der Neugruppierung der Domänen.

Eine besonders starke zeitliche Änderung der Dielektrizitätskonstante wird bei Temperaturen nahe dem Curie-Punkt beobachtet. Durch Erhitzen von Ferroelektrika auf eine Temperatur über dem Curie-Punkt und anschließendes Abkühlen kehrt εr auf seinen vorherigen Wert zurück. Die gleiche Wiederherstellung der Dielektrizitätskonstante kann erreicht werden, indem das Ferroelektrikum einem elektrischen Feld erhöhter Intensität ausgesetzt wird.

Für komplexe Dielektrika – eine mechanische Mischung aus zwei Komponenten mit unterschiedlichem εr in erster Näherung: εrх = θ1 · εr1х · θ · εr2х, wobei θ die volumetrische Konzentration der Mischungskomponenten ist, εr die relative Dielektrizitätskonstante der Mischungskomponente.

Dielektrische Polarisation kann verursacht werden durch: mechanische Belastungen (Piezopolarisation bei Piezoelektrika); Erhitzen (Pyropolarisation in Pyroelektrika); Licht (Photopolarisation).

Der polarisierte Zustand eines Dielektrikums in einem elektrischen Feld E wird durch das elektrische Moment pro Volumeneinheit, Polarisation P, C/m2, charakterisiert, das mit seiner relativen Dielektrizitätskonstante zusammenhängt, z. B.: P = e0 (z. B. - 1)E, wobei e0 = 8,85∙10-12 F/m. Das Produkt e0∙eг =e, F/m wird als absolute Dielektrizitätskonstante bezeichnet. In gasförmigen Dielektrika weicht er beispielsweise kaum von 1,0 ab, in unpolaren Flüssigkeiten und Feststoffen erreicht er 1,5 - 3,0, in polaren hat er große Werte; in Ionenkristallen, z. B. - 5-MO, und in solchen mit einem Perowskit-Kristallgitter erreicht es 200; in Ferroelektrika zB - 103 und mehr.

Bei unpolaren Dielektrika nimmt sie beispielsweise leicht mit zunehmender Temperatur ab; bei polaren Dielektrika sind Änderungen mit dem Vorherrschen der einen oder anderen Art von Polarisation verbunden; bei einigen Ferroelektrika erreicht sie 104 oder mehr. Temperaturänderungen werden beispielsweise durch einen Temperaturkoeffizienten charakterisiert. Polare Dielektrika zeichnen sich durch eine Abnahme z. B. im Frequenzbereich aus, in dem die Zeit t für die Polarisation mit T/2 vergleichbar ist.

Verwandte Informationen.

Relative Dielektrizitätskonstante Medium ε ist eine dimensionslose physikalische Größe, die die Eigenschaften eines isolierenden (dielektrischen) Mediums charakterisiert. Es hängt mit dem Effekt der Polarisation von Dielektrika unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zusammen (und mit dem Wert der dielektrischen Suszeptibilität des Mediums, der diesen Effekt charakterisiert). Der Wert ε gibt an, wie oft die Wechselwirkungskraft zwischen zwei elektrischen Ladungen in einem Medium geringer ist als im Vakuum. Die relative Dielektrizitätskonstante von Luft und den meisten anderen Gasen liegt unter normalen Bedingungen nahe bei eins (aufgrund ihrer geringen Dichte). Bei den meisten festen oder flüssigen Dielektrika liegt die relative Permittivität zwischen 2 und 8 (für ein statisches Feld). Die Dielektrizitätskonstante von Wasser in einem statischen Feld ist ziemlich hoch – etwa 80. Ihre Werte sind hoch für Substanzen mit Molekülen, die einen großen elektrischen Dipol haben. Die relative Dielektrizitätskonstante von Ferroelektrika beträgt Zehntausende und Hunderttausende.

Praktischer Nutzen

Die Dielektrizitätskonstante von Dielektrika ist einer der Hauptparameter beim Design elektrischer Kondensatoren. Durch die Verwendung von Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante können die physikalischen Abmessungen von Kondensatoren erheblich reduziert werden.

Der Parameter Dielektrizitätskonstante wird beim Design von Leiterplatten berücksichtigt. Der Wert der Dielektrizitätskonstante der Substanz zwischen den Schichten beeinflusst in Kombination mit ihrer Dicke den Wert der natürlichen statischen Kapazität der Leistungsschichten und beeinflusst auch erheblich den Wellenwiderstand der Leiter auf der Platine.

Frequenzabhängigkeit

Es ist zu beachten, dass die Dielektrizitätskonstante weitgehend von der Frequenz des elektromagnetischen Feldes abhängt. Dies sollte immer berücksichtigt werden, da Referenztabellen in der Regel Daten für ein statisches Feld oder niedrige Frequenzen bis zu einigen kHz enthalten, ohne dass dies angegeben wird. Gleichzeitig gibt es optische Methoden zur Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstante basierend auf dem Brechungsindex mithilfe von Ellipsometern und Refraktometern. Der mit der optischen Methode (Frequenz 10-14 Hz) ermittelte Wert weicht deutlich von den Angaben in den Tabellen ab.

Betrachten wir zum Beispiel den Fall Wasser. Bei einem statischen Feld (Frequenz Null) beträgt die relative Dielektrizitätskonstante unter Normalbedingungen etwa 80. Dies gilt bis hin zu Infrarotfrequenzen. Beginnend bei etwa 2 GHz ε r beginnt zu fallen. Im optischen Bereich ε r beträgt etwa 1,8. Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass der Brechungsindex von Wasser im optischen Bereich 1,33 beträgt. In einem schmalen Frequenzbereich, der als optisch bezeichnet wird, sinkt die dielektrische Absorption auf Null, was dem Menschen tatsächlich den Mechanismus des Sehens in der mit Wasserdampf gesättigten Erdatmosphäre ermöglicht. Bei weiterer Frequenzerhöhung verändern sich die Eigenschaften des Mediums erneut.

Dielektrizitätskonstantenwerte für einige Stoffe