Permissividade relativa - Relative permittivity
Material | ε r |
---|---|
Vácuo | 1 (por definição) |
Ar |
1,000 589 86 ± 0,000 000 50 (em STP , 900 kHz), |
PTFE / Teflon | 2,1 |
Polietileno / XLPE | 2,25 |
Poliimida | 3,4 |
Polipropileno | 2,2-2,36 |
Poliestireno | 2,4-2,7 |
Dissulfeto de carbono | 2,6 |
Mylar | 3,1 |
Papel , impressão | 1,4 (200 kHz) |
Polímeros eletroativos | 2-12 |
Mica | 3-6 |
Dióxido de silício | 3,9 |
Safira | 8,9-11,1 (anisotrópico) |
Concreto | 4,5 |
Pyrex ( vidro ) | 4,7 (3,7-10) |
Neoprene | 6,7 |
Borracha | 7 |
Diamante | 5,5-10 |
Sal | 3-15 |
Grafite | 10-15 |
Borracha de silicone | 2,9-4 |
Silício | 11,68 |
GaAs | 12,4 |
Nitreto de silício | 7–8 (policristalino, 1 MHz) |
Amônia | 26, 22, 20, 17 (−80, −40, 0, +20 ° C) |
Metanol | 30 |
Etilenoglicol | 37 |
Furfural | 42,0 |
Glicerol | 41,2, 47, 42,5 (0, 20, 25 ° C) |
Água |
87,9, 80,2, 55,5 (0, 20, 100 ° C) para luz visível: 1,77 |
Acido hidrosulfurico |
175, 134, 111, 83,6 (−73, −42, −27, 0 ° C), |
Hidrazina | 52,0 (20 ° C), |
Formamida | 84,0 (20 ° C) |
Ácido sulfúrico | 84–100 (20–25 ° C) |
Peróxido de hidrogênio |
128 aquoso –60 (−30–25 ° C) |
Ácido cianídrico | 158,0-2,3 (0-21 ° C) |
Dióxido de titânio | 86-173 |
Titanato de estrôncio | 310 |
Titanato de estrôncio de bário | 500 |
Titanato de bário | 1200–10.000 (20–120 ° C) |
Titanato de zirconato de chumbo | 500-6000 |
Polímeros conjugados | 1,8–6 até 100.000 |
Titanato de cálcio e cobre | > 250.000 |
A permissividade relativa , ou constante dielétrica , de um material é sua permissividade (absoluta) expressa como uma razão relativa à permissividade do vácuo .
A permissividade é uma propriedade do material que afeta a força de Coulomb entre duas cargas pontuais no material. A permissividade relativa é o fator pelo qual o campo elétrico entre as cargas é diminuído em relação ao vácuo.
Da mesma forma, a permissividade relativa é a razão da capacitância de um capacitor usando esse material como dielétrico , em comparação com um capacitor semelhante que tem vácuo como seu dielétrico. A permissividade relativa também é comumente conhecida como constante dielétrica , um termo ainda usado, mas reprovado por organizações de padrões em engenharia, bem como em química.
Definição
A permissividade relativa é tipicamente denotada como ε r ( ω ) (às vezes κ , kappa minúsculo ) e é definida como
onde ε ( ω ) é a permissividade dependente da frequência complexa do material, e ε 0 é a permissividade do vácuo .
A permissividade relativa é um número adimensional que, em geral , tem um valor complexo ; suas partes reais e imaginárias são denotadas como:
A permissividade relativa de um meio está relacionada à sua suscetibilidade elétrica , χ e , pois ε r ( ω ) = 1 + χ e .
Em meios anisotrópicos (como cristais não cúbicos), a permissividade relativa é um tensor de segunda ordem .
A permissividade relativa de um material para uma frequência zero é conhecida como permissividade relativa estática .
Terminologia
O termo histórico para a permissividade relativa é constante dielétrica . Ainda é comumente usado, mas foi descontinuado por organizações de padrões, por causa de sua ambigüidade, já que alguns relatórios mais antigos o usavam para a permissividade absoluta ε. A permissividade pode ser citada como uma propriedade estática ou como uma variante dependente da frequência. Também foi usado para se referir apenas ao componente real ε ' r da permissividade relativa de valor complexo.
Física
Na teoria causal das ondas, a permissividade é uma quantidade complexa. A parte imaginária corresponde a um deslocamento de fase da polarização P em relação a E e leva à atenuação das ondas eletromagnéticas que passam pelo meio. Por definição, a permissividade relativa linear do vácuo é igual a 1, ou seja, ε = ε 0 , embora existam efeitos quânticos não lineares teóricos no vácuo que se tornam não desprezíveis em intensidades de campo altas.
A tabela a seguir fornece alguns valores típicos.
Solvente | Constante dielétrica | Temperatura (K) |
---|---|---|
benzeno | 2,3 | 298 |
éter dietílico | 4,3 | 293 |
tetrahidrofurano (THF) | 7,6 | 298 |
diclorometano | 9,1 | 293 |
amônia líquida | 17 | 273 |
etanol | 24,3 | 298 |
metanol | 32,7 | 298 |
nitrometano | 35,9 | 303 |
dimetilformamida (DMF) | 36,7 | 298 |
acetonitrila | 37,5 | 293 |
agua | 78,4 | 298 |
formamida | 109 | 293 |
Medição
A permissividade estática relativa, ε r , pode ser medida para campos elétricos estáticos como segue: primeiro, a capacitância de um capacitor de teste , C 0 , é medida com vácuo entre suas placas. Em seguida, usando o mesmo capacitor e distância entre suas placas, mede-se a capacitância C com um dielétrico entre as placas. A permissividade relativa pode ser calculada como
Para campos eletromagnéticos variantes no tempo , essa quantidade torna-se dependente da frequência . Uma técnica indireta para calcular ε r é a conversão dos resultados da medição do parâmetro S de radiofrequência . Uma descrição das conversões dos parâmetros S freqüentemente usados para a determinação do ε r dependente da frequência dos dielétricos pode ser encontrada nesta fonte bibliográfica. Alternativamente, efeitos baseados em ressonância podem ser empregados em frequências fixas.
Formulários
Energia
A permissividade relativa é uma informação essencial ao projetar capacitores e em outras circunstâncias em que se espera que um material introduza capacitância em um circuito. Se um material com uma alta permissividade relativa for colocado em um campo elétrico , a magnitude desse campo será reduzida de forma mensurável dentro do volume do dielétrico. Esse fato é comumente usado para aumentar a capacitância de um projeto específico de capacitor. As camadas abaixo dos condutores gravados em placas de circuito impresso ( PCBs ) também atuam como dielétricos.
Comunicação
Dielétricos são usados em linhas de transmissão de RF . Em um cabo coaxial , o polietileno pode ser usado entre o condutor central e a blindagem externa. Ele também pode ser colocado dentro de guias de ondas para formar filtros . As fibras ópticas são exemplos de guias de ondas dielétricas . Eles consistem em materiais dielétricos que são propositadamente dopados com impurezas para controlar o valor preciso de ε r dentro da seção transversal. Isso controla o índice de refração do material e, portanto, também os modos ópticos de transmissão. Porém, nesses casos, é tecnicamente a permissividade relativa que importa, pois não operam no limite eletrostático.
Meio Ambiente
A permissividade relativa do ar muda com a temperatura, umidade e pressão barométrica. Sensores podem ser construídos para detectar mudanças na capacitância causadas por mudanças na permissividade relativa. A maior parte dessa mudança se deve aos efeitos da temperatura e umidade, já que a pressão barométrica é razoavelmente estável. Usando a mudança de capacitância, junto com a temperatura medida, a umidade relativa pode ser obtida usando fórmulas de engenharia.
Química
A permissividade estática relativa de um solvente é uma medida relativa de sua polaridade química . Por exemplo, a água é muito polar e tem uma permissividade estática relativa de 80,10 a 20 ° C, enquanto o n - hexano é apolar e tem uma permissividade estática relativa de 1,89 a 20 ° C. Esta informação é importante ao projetar técnicas de separação, preparação de amostras e cromatografia em química analítica .
A correlação deve, no entanto, ser tratada com cautela. Por exemplo, diclorometano tem um valor de ε r de 9,08 (20 ° C) e é bastante pouco solúvel em água (13 g / L ou 9,8 ml / L a 20 ° C); ao mesmo tempo, tetra-hidrofurano tem a sua ε r = 7,52 a 22 ° C, mas é completamente miscível com água. No caso do tetra-hidrofurano, o átomo de oxigênio pode atuar como um aceitador de ligação de hidrogênio ; onde, como o diclorometano, não pode formar ligações de hidrogênio com a água.
Isso é ainda mais aparente quando se comparam os valores de ε r do ácido acético (6,2528) e do iodoetano (7,6177). O grande valor numérico de ε r não é surpreendente no segundo caso, pois o átomo de iodo é facilmente polarizável; no entanto, isso não implica que seja polar também (a polarizabilidade eletrônica prevalece sobre a orientacional neste caso).
Meio com perdas
Novamente, semelhante à permissividade absoluta , a permissividade relativa para materiais com perdas pode ser formulada como:
em termos de uma "condutividade dielétrica" σ (unidades S / m, siemens por metro), que "soma todos os efeitos dissipativos do material; pode representar uma condutividade [elétrica] real causada pela migração de portadores de carga e também pode referem-se a uma perda de energia associada à dispersão de ε ′ [a permissividade de valor real] "(p. 8). Expandindo a frequência angular ω = 2π c / λ e a constante elétrica ε 0 = 1 / µ 0 c 2 , que se reduz a:
onde λ é o comprimento de onda, c é a velocidade da luz no vácuo e κ = µ 0 c / 2π = 59,95849 Ω ≈ 60,0 Ω é uma constante recém-introduzida (unidades ohms ou siemens recíprocos , de modo que σλκ = ε r permanece sem unidade) .
Metais
A permissividade está tipicamente associada a materiais dielétricos , no entanto, os metais são descritos como tendo uma permissividade efetiva, com permissividade relativa real igual a um. Na região de baixa frequência, que se estende das frequências de rádio ao infravermelho distante e região de terahertz, a frequência do plasma do gás de elétron é muito maior do que a frequência de propagação eletromagnética, então o índice de refração n de um metal é quase puramente imaginário número. No regime de baixa frequência, a permissividade relativa efetiva também é quase puramente imaginária: ela tem um valor imaginário muito grande relacionado à condutividade e um valor real comparativamente insignificante.