水的介電常數

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介紹

介電材料在固態物理學研究中起著重要作用。

固態物理學是物理學的一個分支，它描述了物質在固態或固體狀態下的物理性質。最初，該領域被認為是金屬的一個分支，後來擴充套件到所有型別固體的研究領域。這個科學領域處於當今現代科學和技術的前沿。該領域在電子學、積體電路設計和各種靈敏儀器的開發中尤為重要。物質可以存在於三種狀態。它們是氣態、固態和液態。原子、離子或分子結合形成物質。物質根據這些物質之間的原子距離、形狀和施加的力而呈固態、液態或氣態。

介電材料

• 具有恆定電偶極子的材料稱為介電材料。

• 如果一種材料具有在施加電場時形成大量感應電偶極子的特性，則稱其為介電材料。

• 此外，這種材料缺乏自由電子。由於電場的作用，這種材料的行為會發生變化。

• 這些材料大多用於儲存電能。所有導電材料都可以是絕緣體。但並非所有絕緣體都是介電材料。

• 介電材料是一種非金屬材料，具有高電阻率和抗熱阻率。介電材料在電子裝置中起著非常重要的作用。

• 介電材料的主要特徵是，當施加電場時，材料會發生極化。

介電學的基本定義

電偶極子

電偶極子是一個由兩個電荷組成的系統，這兩個電荷大小相等、符號相反，並且彼此分開。

偶極矩 (μ)

$$\mathrm{偶極矩 = 電荷 \times 兩個電荷之間的距離}$$

其單位是庫侖米。

$$\mathrm{\mu=qd\:庫侖米}$$

$$\mathrm{\mu=偶極矩}$$

$$\mathrm{q=電荷}$$

$$\mathrm{d=兩個電荷之間的距離}$$

介電常數 (ε)

介質的介電特性定義為其介電常數。它表示物體的極化性質。其單位是$\mathrm{法拉每米}$

例如，真空介電常數的值為$\mathrm{\varepsilon_{0}=8.854\times 10^{−12}\:F/m}$

電極化

正電荷沿電場方向的位移和負電荷沿相反方向的位移在物體中產生偶極子。

因此，當施加電場時，偶極子形成的現象稱為極化。

它取決於施加電場的頻率和溫度。

什麼是介電常數？

• 介電常數是介質的介電常數與真空介電常數之比。可以透過該值瞭解材料的介電特性。該值沒有單位。

$$\mathrm{\varepsilon_{r}=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}=\frac{C}{C_0}}$$

$\mathrm{\varepsilon}$ =介質的介電常數

$\mathrm{\varepsilon_0}$ =真空的介電常數

$\mathrm{C}$=充滿介電材料的平行板電容器的電容

$\mathrm{C_0}$=真空狀態下充滿介電材料的平行板電容器的電容

• 介電常數是衡量介電材料電極化特性的一個屬性。

$$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{E_0}{E_0-E_p}}$$

$\mathrm{E_0}$ =外加電場

$\mathrm{E_p}$ =極化電場

• 如果材料的極化程度越高，則$\mathrm{E_p}$越高。在這種情況下，$\mathrm{\varepsilon_r}$將越高。

水的介電常數

• 水是自然界最豐富的氫化合物。70%的地球表面被海水覆蓋，海水是水的主要來源。

• 水是一種無色的液體，易於蒸發。由於分子間的氫鍵作用，水在凝聚態具有獨特的性質。

• 水的介電常數為78.39。水的沸點高是由於水中存在氫鍵。

結論

物質可以存在於三種狀態。它們是氣態、固態和液態。原子、離子或分子結合形成物質。如果一種材料具有在施加電場時形成大量感應電偶極子的特性，則稱其為介電材料。

電偶極子是一個由兩個電荷組成的系統，這兩個電荷大小相等、符號相反，並且彼此分開。介質的介電特性定義為其介電常數。它表示物體的極化性質。水的介電常數為78.39。水的沸點高是由於水中存在氫鍵。

常見問題

Q1. 什麼是介電強度？

A1. 介電強度是使介電擊穿所需的最小電壓除以材料的單位厚度。隨著溫度、溼度和材料壽命的增加，材料的介電強度會降低。其單位是$\mathrm{伏特每米}$

Q2. 定義電極化率

A2. 將介電材料置於電場中會產生電極化。因此，極化向量 P 與電場 E成正比。也就是說，

$$\mathrm{極化向量 P \varpropto 電場 E}$$

$$\mathrm{P\:\varpropto\:E}$$

$$\mathrm{P=\chi^{E}}$$

$$\mathrm{\therefore\:\chi=\frac{P}{E}}$$

因此，電極化率是極化向量與外加電場之比。

Q3. 什麼是介電損耗？

A3.

• 當將交流電場施加到介電介質時，電場的大部分能量會被介質吸收。

• 因此，介質中的分子由於吸收能量而升溫。因此，吸收的能量以熱能的形式損失。這種能量損失稱為介電損耗。

• 通常，介電損耗是由於復介電常數的虛部造成的。

Q4. 定義介電擊穿

A3.

• 介電材料是具有高電阻率和負溫度電阻係數的材料。

• 在介電材料中，隨著場強的增加，電荷位移也會增加。

• 超過某個可變場值，介電材料會發生電擊穿，電流會流動。介電擊穿有很多原因。

Q5. 什麼是空間電荷極化？

A5. 當將電場施加到具有兩個或多個不同相的介電材料時，電荷會分離並在電極中聚集。這種現象稱為空間電荷極化。這種型別的極化發生是因為一相的電阻遠高於另一相。

Q6. 解釋介電材料的熱效能

A3.

• 介電材料也可用於高溫應用。這些材料應該能夠承受高溫而不影響其他效能。

• 介電材料也可用於高溫應用。這些材料應該能夠承受高溫而不影響其他效能。

Q7. 解釋絕緣材料的化學效能

A3.

• 當絕緣材料與導體一起放置時，絕緣材料的效能會發生變化。

• 例如，當橡膠新增到銅中時，會發生化學反應。為了防止化學反應，應將銅的表面鍍錫。

• 耐化學腐蝕的材料可以被認為是最好的絕緣材料。