介电常数的范围

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率

如果有高介电常数的材料放在电场中,场的强度会在电介质内有可观的下降

电介质经常是绝缘体其例子包括瓷器(陶器),云母,玻璃,塑料,和各种金属氧化物有些液体和气体可以作为好的电介质材料干空气是良好的电介质,并被用在可变电容器以及某些类型的传输线蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质,其相对介电常数约为80

一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大ε倍

电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性例如,当一个电介质材料放在两个电荷之间,它会减少作用在它们之间的力,就像它们被移远了一样

当电磁波穿过电介质,波的速度被减小,有更短的波长

相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量:首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的电容C0然后,用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后侧得电容Cx然后相对介电常数可以用下式计算

εr=Cx/C0

对于时变电磁场,物质的介电常数和频率相关,通常称为介电系数

介电常数又叫介质常数,介电系数或电容率,它是表示绝缘能力特性的一个系数,以字母ε表示,单位为法/米

附常见溶剂的介电常数

H2O (水) 785

HCOOH (甲酸) 585

HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)367

CH3OH (甲醇) 327

C2H5OH (乙醇) 245

CH3COCH3 (丙酮) 207

n-C6H13OH （正己醇）133

CH3COOH (乙酸或醋酸) 615

C6H6 (苯) 228

CCl4 (四氯化碳) 224

n-C6H14 （正己烷）188

导电指材料内部的导电离子在电场作用下发生的定向位移。多是载流子，离子，自由电子等。如金属中自由电子施加电压后自由电子的导电。绝缘材料内部由于载流子，或空间电荷在电场中形成的泄漏电流。介电是指材料内部的一些带电微粒在电场作用下产生的转向，或弹性位移。这些带电粒子是受束缚的，移动受到限制。如绝缘材料所发生的极化现象。极性分子在电场中的偶极转向。

介电材料是指在外电场作用下能发生极化、电导、损耗和击穿等现象的材料。

介电材料属绝缘体，用于制造电容器。为了使电容器的静电电容器尽量地大而体积又小，一般要求所用电介质的介电常数（s）越大越好；L电极间距越小越好，电极面积越大越好。

基本介绍 中文名 ：介电材料 外文名 ：dielectric materia 别称 ：电介质 定义 ：以电极化为特征的材料 材料 ：一般为非导电体 用途 ：主要用于制造电容器 概述,介电材料种类,体系,电容器介电材料,微波介电材料,介电材料的动因, 概述 介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。介电材料是通过感应而非传导的方式传递、存储或记录电场的作用和影响。其中电极化是在外电场作用下，分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象，而介电常数是表征电介质的最基本参数。 此外，电介质材料一般为非导电体，即绝缘体，一般是指电导率低于 的材料。 介电材料主要用于制造电容器。要求材料的电阻率高，介电常量大。 介电材料的种类很多，重要的有金红石（ ）瓷，含二氧化钛的复合氧化物陶瓷，如钛酸钙、钛酸镁、钛酸钡等。云母具有层状结构，易剥离成薄片，适于用作叠层型电容器。六方氮化硼耐高温、导热系数大，是理想的高温导热绝缘材料。白宝石（ ）、尖晶石（ ）等可作电子器件的衬底材料，可在它上面生长单晶矽膜。 介电材料种类 介电材料主要分为气体电介质材料、液体电介质材料及固体电介质材料。 气体电介质材料包括非极性气体（如He、 、 、 和 ），极牲气体（如HCl、NO等），还有一些混合气体如空气，其中最常用的是天然气介质。 液体电介质材料，包括非极性和弱极性液体（如 、苯、二甲苯、汽油、煤油等），极性液体（如乙醇、水、三氯联苯等）。 固体电解质材料是使用最多的电介质材料，主要包括陶瓷和高聚物两类，还包括金刚石、矽、硫等晶体。电介质陶瓷为我们本章主要讲述的材料，其套用最广泛。高分子聚合物电介质材料目前也有开展研究及套用，包括聚乙烯及聚四氟乙烯等。 体系 介电材料主要包括电容器介质材料和微波介质材料两大体系。其中用于电容器介质的介电材料在整个介电材料中占有很大比重，它可分为有机材料和无机材料两大类。近年来，新型陶瓷介电材料获得快速发展，其中独石电容器材料就是典型的代表。微波介质材料主要是用于制造介质谐振器、微波积体电路基片与元件、介质天线等微波器件的介电材料。 电容器介电材料 电容器介电材料分为有机材料和无机材料两大类（如右图所示）。有机介电材料分为极性介电材料和非极性介电材料两种。其中除纸以外，均为高分子聚合物薄膜，即有机膜。无机介电材料则分为气体和固体介电材料两类。气体包括空气、压缩氮气、六氟化硫及混合气体等。固体介电材料包括云母、玻璃和陶瓷等。在各种介电材料中，纸、陶瓷、云母属传统材料。陶瓷介电材料近年获得快速发展，其中独石电容器材料就是典型代表。 电容器介电材料分类 微波介电材料 微波介电材料主要用于制造介质谐振器、微波积体电路及片与元件和家用微型平面天线等微波器件。介质谐振器由微波介质陶瓷材料构成，其发展非常迅速，材料种类繁多，其中典型材料包括 系统、 钙钛矿型陶瓷。微波积体电路基片常用材料有聚四氟乙烯、石英、氧化铍、氧化铝、尖晶石、蓝宝石、石榴石铁氧体、砷化钾、二氧化钛和红宝石等。 介电材料的动因 介电材料的主要驱动力是电气和机械特性、可制造性和成本。这些因素的量级取决于市场和套用。对于许多市场，成本是最大的驱动力，而性能可能要折中。对于其他市场，性能是主要驱动力，成本不是问题。而可制造性影响成本以及质量和可靠性。 电气和机械特性与性能直接相关，人们最感兴趣的电气性质是介电常数（k）和扩散因子（DF）。这些材料的稳定性，以及随变化的温度和湿度而发生变化的相应的电气特性，也是一个因素。对于高速设计而言，低的k和低的DF是必要的，PTFE（聚四氟乙烯，Teflon）是具有最低k和DF性质的聚合物。 厚度容限和热膨胀系数（CTE）也是影响因数。但是，PTFE是一种热塑的、外形不稳定的、非常滑的材料，在没有大的表面处理情况下，没有哪样东西能够粘附到上面。将PTFE与其他材料（例如玻璃增强剂）组合，在对介电特性最小影响的情况下，提高了机械性质。在过去数年中，为了产生多种类的期望特征，材料工程师们已经合成聚合物和填充物的许多组合物和混合物。 材料的通用成本结构 如右图所示说明了材料的通用成本结构。金字塔的底部由常规环氧树脂层叠材料组成，并向上通过各种混合物或聚合物，直到顶部的PTFE基材料。

物质之所以能导电的根本原因在于电荷的移动。无论是在导体还是在介电体中，电场的能量都是通过电荷的移动来传递的。按电荷的移动方式，可将传递方式分为：①扩散。电子通过一种有序或无序介质做无序的运动。②渗透。电子通过一种无序介质做规则的运动。③迁移。电子依照外电场的方向所作的扩散或渗透。④对流。电子按照热梯度的方向所做的运动。⑤隧道效应。电荷通过一种能量势垒所作的量子统计运动。在这些传递方式中，迁移和隧道效应是两个最主要的机制。迁移中的扩散和渗透理论基本上描述了电荷在通过块状物质或颗粒表面时的直流电导率。隧道效应主要发生在不同物质间的界面上。

不导电的物质虽然能阻止传导电流通过，但却可以让交替变化的电场能量以电磁波的形式在其内传播。这是由于在外电场的作用下，原来存在于原子之中互相抵消的电性中心将发生分离，形成一定的电偶极矩。这种在外电场的作用下出现附加电偶极矩的现象叫极化。在自然界中，存在着两种不同的极化机制：①分子的正负电荷中心重合，对外没有电偶极矩。外加电场的作用使正负电荷中心被拉开。②分子的正负电荷中心不重合，对外显示有电偶极矩。外加电场的作用使自然偶极矩发生转向。按极化的不同机制，可以将极化分为：

（1）电子极化。在外电场的作用下，电介质内出现电荷或电荷重心的位移。

（2）离子极化。在离子晶体中，由于外电场的作用，正负离子的相对位置发生变化，阳离子沿电场方向运动，阴离子逆着外电场方向运动，从而出现电偶极矩。

（3）分子极化。在外电场的作用下，一些完整的分子会发生畸变，带负电的变得更负，带正电的变得更正。

（4）固有电偶极矩转向。有些电介质，其组成分子具有固有的电偶极矩。在外电场的作用下，这些固有电偶极矩将转向外电场方向，使其极化强度增大。

（5）界面极化。对于有些由微晶体和小晶体组成的介质，其晶体内部有时会导电。但由于不导电的边界层的存在，这些介质成为绝缘体。在外加交变电场的作用下，电荷会因在晶体内部流动而聚集在边界层附近。这实际上相当于缩短了电容极板之间的距离。因此而产生了有效介电常数的改变。

上述各种极化机制分别只在一定的频率范围内有效，同时可以有简单的叠加。在超高频段（1024Hz），电子极化是唯一的极化机制。在频率接近于1014Hz时，有分子和离子极化；在接近1012Hz时出现转向极化；在106Hz以下为界面极化。

弛豫的概念是从宏观热力学的唯象理论中抽象出来的。其定义是：一个宏观系统由于周围环境变化或它经受了一个外界的作用而变成非热平衡状态。这个系统经过一定时间由非热平衡过渡到新的热平衡状态的整个过程被称为弛豫。物理上，弛豫过程实际上就是系统中的微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。弛豫过程的客观规律决定于系统中的微观粒子相互作用的性质。因此，研究弛豫现象是获得关于这些相互作用信息的最有效的途径之一。

在电场与物质之间的相互作用中最重要的大概是弛豫过程。因为弛豫过程有的是通过粒子间的各种复杂的、完全混乱的作用或碰撞来实现的，所以在弱电情形下，可用弛豫时间方法来处理近似弛豫过程。

1弛豫时间与介电弛豫

首先设t＜t0时，极化强度为P0。在t=0时，突然除去外电场，则在t≫M（M为很大的正数）以后，系统的极化强度逐渐下降，最后趋于热平衡时的零值。在这个过程中，极化强度P减小的速率与P成正比：

dP=-APdt （5-1-35）

令τ=1/A为弛豫时间（P减至其1/e时所需要的时间），则

岩石物理学基础

设在t≤0时，P=0。在t=0时，突然加上一个恒定的外电场，即

d（P-P0）=-A（P-P0）dt （5-1-37）

式中的P0是热平衡时的极化强度（又称为热平衡极化强度）。

以上方程的解是

岩石物理学基础

2德拜（Debye）弛豫方程

德拜（Debye）弛豫方程描述相对介电常数与频率的关系。根据傅里叶（Fourier）变换理论，介电常数随频率的变化规律可由下列积分表示：

岩石物理学基础

这里，α（t）是衰减因子，它描述在电场突然除去时，介质极化衰减的规律以及迅速加上恒定外电场时介质极化趋向于平衡态的规律。

现在讨论一个特殊情况。设衰减因子为

岩石物理学基础

代入到εr（ω）的公式中，有

岩石物理学基础

因为jωt-t/τ=jω［t（1-1/jωτ）］，有

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由此得出：

岩石物理学基础

设εrs=εr（0）是静态介电常数，则εrs=εr∞+τα0。这里，

τα0=εrs-εr∞ （5-1-44）

或者

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将（5-1-45）代入到方程（5-1-40）得到

岩石物理学基础

而

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岩石物理学基础

岩石物理学基础

公式（5-1-48）和（5-1-49）组成著名的德拜方程。另有

岩石物理学基础

式中：δ为是损耗角。当ω➝∞时，ε′r➝εr∞，ε″r➝0。

德拜方程在实验和技术工作中有很广泛的应用，但它忽略了光频损耗。如果在德拜方程中消去ωτ，则有

岩石物理学基础

以ε′r为横坐标，ε″r为纵坐标作图，得到柯尔-柯尔（Cole-Cole）图（图5-1-1，5-1-2）。在数学意义上，德拜方程是柯尔-柯尔图的参数表达式。

介电常数,用于衡量绝缘体储存电能的性能它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比

介电常数代表了电介质的极化程度,也就是对电荷的束缚能力,介电常数越大,对电荷的束缚能力越强

电工中一般认为电阻率超过10欧/厘米的物质便归于电介质。电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。

介电质是一种可被电极化的绝缘体。

根本区别就是介电质肯定是绝缘体而电介质不一定是绝缘体，也就是说电介质包含介电质。

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