介電材料

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簡介

介電材料在固體物理學的研究中起著重要作用。眾所周知，物質可以存在三種狀態。它們是氣態、固態和液態。原子、離子或分子結合形成物質。固體物理學是物理學的一個分支，它描述了物質在固體或固態下的物理性質。

最初，該領域被認為是金屬學的一個分支，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精密儀器的開發中尤其重要。

什麼是介電材料？

• 具有恆定電偶極矩的材料稱為介電材料。

• 如果一種材料在施加電場時具有形成大量感應電偶極矩的特性，則稱該材料為介電材料。

• 此外，這種材料沒有自由電子。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。

什麼是介電常數？

• 介電常數是介質的介電常數與真空的介電常數之比。透過該值可以瞭解材料的介電特性。

• 介電常數是決定絕緣材料吸收電流量的特性。隨著介電常數的增加，絕緣材料的電容也會增加。

真空介電常數

$$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}=\frac{C}{C_0}}$$

$\mathrm{\varepsilon}$ = 介質的介電常數

$\mathrm{\varepsilon_0}$ = 真空的介電常數

C= 充滿介電材料的平行板電容器的電容

$\mathrm{C_0}$ = 真空中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性質的特性。

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

$\mathrm{E_0}$ = 外加電場

$\mathrm{E_p}$ = 極化電場

如果材料中的極化越多，則$\mathrm{E_p}$ 將越大。因此，在這種情況下，$\mathrm{\varepsilon_r}$ 將更高。

介電常數單位

此值沒有單位。因為介電常數的公式為$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}}$

它是相同量之間的比率。

$\mathrm{\varepsilon}$ = 介質的介電常數

$\mathrm{\varepsilon_0}$ = 真空的介電常數

介電常數符號

介電常數的符號為$\mathrm{\varepsilon_r}$。在某些情況下，介電常數也表示為 k。

$$\mathrm{k=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}}$$

這裡 k 是希臘字母kappa。

介電常數背後的理論

• 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發揮著非常重要的作用。

• 介電材料的主要特性是，當施加電場時，材料會發生極化。

• 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。其單位為$\mathrm{法拉每米}$

例如，真空介電常數的值為$\mathrm{\varepsilon_0=8.854\times 10^{−12}\: F/m}$

介電常數值

介電常數值是使用公式$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}}$計算的。例如，水在室溫（25°C 或 77°F）下的介電常數為78.39。水的較高沸點是由於水中存在氫鍵。對於空氣，在相同溫度下的介電常數值為1.00059。

影響介電常數的因素

溫度

• 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。

頻率

• 當材料中的靜態偶極矩被電場旋轉或存在離子時，它們從一個平衡位置跳到另一個平衡位置，在射頻範圍內，介電材料中會發生放電。

結論

介電材料是具有恆定電偶極矩的材料。我們在固體物理學中研究介電材料。如果一種材料在施加電場時具有形成大量感應電偶極矩的特性，則稱該材料為介電材料。

介電常數是決定絕緣材料吸收電流量的特性。介電材料的主要特性是，當施加電場時，材料會發生極化。水的介電常數為 78.39，空氣的介電常數為 1.00059。雲母、橡膠、玻璃和陶瓷是一些介電材料的例子。

常見問題

Q1. 什麼是介電強度？

答：介電強度是材料單位厚度引起介電擊穿所需的最小電壓。隨著材料溫度、溼度和使用壽命的增加，材料的介電強度降低。其單位為$\mathrm{伏特每米}$

Q2. 什麼是介電損耗？

答：

• 當交流電場施加到介電介質時，電場的大部分能量被介質吸收。介電損耗是指能量損耗。

• 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。

Q3. 什麼是電容器？

答：電容器是一種幫助儲存電荷和電能的裝置。它由兩個在一定間隔內分開的導體組成。電容器廣泛應用於許多電子電路和許多科學技術領域。在極板之間插入雲母、玻璃或紙等介電材料會改變電容器的電容。

Q4. 什麼是電極化？

答：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，當電場施加到介電材料上時，它會表現出極化。偶極子形成的現象稱為極化。它取決於所施加電場的頻率和溫度。

Q5. 定義介電擊穿

答：

• 介電材料是指高電阻和負溫度電阻係數的材料。

• 在介電材料中，隨著場強的增加，電荷位移也增加。

• 在某個可變場值以上，介電材料會發生電擊穿，電流會透過。介電擊穿有很多原因。

Q6. 解釋絕緣材料的化學性質

答：

• 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，應在銅的表面塗上一層錫。

• 耐化學腐蝕的材料可以被認為是最佳的絕緣材料。

Q7. 定義電極化率

答：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。即，

$$\mathrm{極化向量\:P\varpropto\:電場\:E}$$

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

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

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

因此，電極化率是極化向量與外加電場之比。