誘電率とは

電荷は、クーロンの法則によって決定されるように、さまざまな強さを持つさまざまな媒体で互いに相互作用します。これらの媒体の特性は、誘電率と呼ばれる量によって決まります。

誘電率とは

によると クーロンの法則2 点状静止電荷 q₁ とq₂ 真空中で式 F で与えられる力と相互作用する_cl= ((1/4)*π* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²）、 どこ：

• ふ_cl - クーロン力、N;
• q₁、q₂ -料金のモジュール、kl;
• rは電荷間の距離、mです。
• ε₀ - 電気定数、8.85*10^-12 F/m (ファラッド/メートル)。

相互作用が真空中で発生しない場合、クーロン力に対する物質の影響を決定する別の量が式に含まれ、クーロンの法則の表記は次のようになります。

F=((1/4)*π*ε* ε)*(|q₁|*|q₂|/r²).

この量はギリシャ文字 ε (イプシロン) で表され、無次元です (測定単位はありません)。誘電率は、物質内の電荷の相互作用の減衰係数です。

多くの場合、物理学では、誘電率は電気定数と組み合わせて使用​​されます。この場合、絶対誘電率の概念を導入すると便利です。これはεで表されます_a そしてεに等しい_a= ε* ε。この場合、絶対透磁率の次元は F/m です。通常の透磁率 ε は、ε と区別するために相対とも呼ばれます。_a.

誘電率の性質

誘電率の性質は、電界の作用下での分極現象に基づいています。ほとんどの物質は荷電粒子を含んでいますが、一般的に電気的に中性です。これらの粒子は物質の塊の中で無秩序に配列され、それらの電場は平均して互いに中和します。

誘電体には、主に結合電荷 (双極子と呼ばれる) が含まれています。これらの双極子は、従来、誘電体の厚さに沿って自発的に配向し、平均してゼロ電界強度を生成する 2 つの異なる粒子の束を表します。外部フィールドの作用下で、双極子は加えられた力に従って方向を変える傾向があります。その結果、追加の電場が作成されます。同様の現象が無極性誘電体でも発生します。

導体では、プロセスは似ていますが、外部フィールドの作用で分離し、独自の電界を作成する自由電荷があるだけです。このフィールドは外部フィールドに向けられ、電荷をシールドし、それらの相互作用の力を減らします。物質の分極能力が大きいほど、ε は高くなります。

異なる物質の誘電率

物質が異なれば、誘電率も異なります。それらのいくつかの ε の値を表 1 に示します。明らかに、これらの値は 1 より大きいため、真空と比較して電荷の相互作用は常に減少します。また、空気の場合、ε は 1 より少し大きいため、空気中の電荷の相互作用は真空中の相互作用とほとんど変わらないことに注意する必要があります。

表 1. さまざまな物質の電気透過率の値。

コンデンサの誘電率と静電容量

実際に ε の値を知ることは、たとえば電気コンデンサの設計において重要です。彼らの キャパシタンス シェルの寸法、それらの間の距離、および誘電体の誘電率に依存します。

作りたいなら コンデンサ 電極の静電容量が大きい場合、カバーの面積を増やすとサイズが大きくなります。電極間の距離を縮めることにも実際的な制限があります。この場合、誘電率の高い絶縁体を使用すると効果的です。より高い ε を持つ材料を使用すると、電極のサイズを何倍も小さくすることができます。 電気容量.

物質の別のカテゴリはセグメントエレクトリックと呼ばれ、特定の条件下で自発分極を持ちます。検討中の分野では、それらは次の 2 つの点で特徴付けられます。

• 誘電率の大きな値（特性値 - 数百から数千）;
• 外部電場を変化させることによって誘電率の値を制御する能力。

これらの特性は、小さな質量と寸法で (絶縁体の誘電率の増加による) 大容量のコンデンサを製造するために使用されます。

このようなデバイスは、低周波 AC 回路でのみ動作します。周波数が高くなると、誘電率が低下します。強誘電体のもう 1 つの用途は可変コンデンサです。このコンデンサの特性は、印加された電場の影響下で変化するパラメータで変化します。

誘電率と誘電損失

誘電損失、つまり、誘電体で熱によって失われるエネルギーの一部も、誘電率に依存します。誘電損失の角度の正接であるパラメーター tg δ は、これらの損失を表すために一般的に使用されます。これは、誘電体が tg δ の材料でできているコンデンサの誘電体損失の電力を特徴付けます。そして、各物質の比損失力は、式 p=E によって定義されます。²*ώ*ε*ε*tg δ、ここで:

• p - 損失の比電力、W;
• ώ=2*π*f - 電場の循環周波数;
• E - 電界強度、V/m。

他のすべての条件が同じであれば、誘電体の誘電率が高いほど、誘電体の損失が大きくなることは明らかです。

外部要因に対する誘電率の依存性

誘電率の値は、電界の周波数（この場合、フェーシングに印加される電圧の周波数）に依存することに注意してください。周波数が高くなると、多くの物質でεの値が減少します。この効果は極性誘電体で顕著です。この現象は、電荷 (双極子) が電場を追う時間がなくなったという事実によって説明できます。イオン分極または電子分極によって特徴付けられる物質の場合、誘電率の周波数への依存性は小さいです。

これが、コンデンサ誘電体を作るための材料の選択が非常に重要である理由です。低周波で機能するものが必ずしも高周波で高品質の絶縁を生み出すとは限りません。多くの場合、高周波では無極性誘電体が絶縁体として使用されます。

また、誘電率は温度に依存し、物質によって異なります。非極性誘電体では、温度が上昇すると低下します。この場合、そのような絶縁体で作られたコンデンサの場合、静電容量の負の温度係数（TKE）について話します- 静電容量 ε に続く温度の上昇とともに低下します。他の物質は、温度が上昇すると透磁率が高くなり、TKE が正のコンデンサを得ることができます。反対の TKE を持つコンデンサをペアにすることで、熱安定容量を得ることができます。

さまざまな物質の誘電率の本質と知識を理解することは、実用的な目的のために重要です。また、誘電率のレベルを制御する機能により、追加の技術的視点が提供されます。

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