介電常數(shù)的應(yīng)用Dielectric Constant

介電常數(shù)(Dielectric Constant)表征的是材料能使電場通過的能力。其英文前輟Die有通過、跨過的意思。但同時(shí)它有另外一層物理含義，即允許電場通過，而不允許粒子通過，包括電子。因此，介電質(zhì)(絕緣體)的中文釋義中的“介"表明的是隔開電流的意思，也就隱含有理想介電質(zhì)(DielectricMedia)不具有導(dǎo)電能力的意思。

事實(shí)上，理想的介電質(zhì)是不存在的。任何物體總是具備一定的導(dǎo)電能力，只是這種導(dǎo)電能力是有很大的差異的?？傮w而言，材料大體可以分為3類：介電質(zhì)(Insulator)、半導(dǎo)體(Semiconductor)和導(dǎo)體(Conductor)。絕緣體的導(dǎo)電能力很差，基本上可以認(rèn)為是理想的介電質(zhì)；而半導(dǎo)體具備一定的導(dǎo)電能力，也因此在實(shí)際的電子器件中有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值；導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電特性，在實(shí)際生活與生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。同樣，介電質(zhì)也有很廣泛的應(yīng)用，除了傳統(tǒng)的用于制造絕緣體、電容器件外，它還可以用于微波頻段內(nèi)的介電質(zhì)共振器，從而產(chǎn)生振蕩電路的參考頻率。

電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

利用高介電常數(shù)制作的介質(zhì)諧振天線(Dielectric Resonator Antenna)可以使天線設(shè)計(jì)小型化，能更好地與集成電路整合。介質(zhì)諧振器天線是一種諧振式天線，由低損耗的微波介質(zhì)材料構(gòu)成，它的諧振頻率由諧振器尺寸、形狀和相對(duì)介電常數(shù)所決定。相對(duì)于金屬諧振腔，介質(zhì)諧振天線工作在諧振時(shí)一直在向外輻射電磁波，因此其輻射效率比較高。同時(shí)，介質(zhì)諧振天線能與目前的集成電路很好地融合，有利于設(shè)備的小型化。而印制電路板的基板則無一例外地采用的是介電質(zhì)。此外，有些介電質(zhì)在受到機(jī)械壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓差，或者受到外加電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生物理形變，這種特性稱為壓電效應(yīng)。利用壓電效應(yīng)可以制造傳感器、諧振器。常用的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體等。

壓電材料示意圖

材料的介電常數(shù)與材料在外加電場的作用下的極化特性有關(guān)。物體都是由原子或分子組成的，原子是由帶正電的原子核及帶負(fù)電的電子云層組成，而分子則是由相同或不同的多個(gè)原子組成的。當(dāng)不存在外界的電場(ElectricField)或磁場(MagneticField)作用時(shí)，電子云層相對(duì)于原子核呈現(xiàn)均勻的分布，從而，原子總體上顯示的是一種中性的狀態(tài)，如下圖(a)所示。但當(dāng)施加外電場后，原子的電子云層相對(duì)于原子核有小尺度的位移，從整體上來看，正負(fù)電荷的中心形成一個(gè)電偶極子,并且其方向與電場方向平行，如圖(b)所示，這種現(xiàn)象稱為電子極化(ElectronicPolarisation)。電子極化是最常見的一種極化現(xiàn)象。

院子模型及原子在外加電場下的電荷分布

另外一種極化稱為取向極化(Orientational Polarisation)或偶極子極化(Di-pole Polarisation)。分子極化主要存在于由極化分子組成的物質(zhì)當(dāng)中。如水分子是由1個(gè)氧原子和2個(gè)氫原子組成。3個(gè)分子不在同一條直線上，因而使得水分子從整體上來看如同一個(gè)偶極子，如下圖(a)所示。當(dāng)沒有外加電場時(shí)，這些極性分子呈無序分布，因而總體上對(duì)外顯電中性，如圖(b)所示。當(dāng)施加了電場之后，這些極性分子開始在電場的作用下重新進(jìn)行排列，使得其自己的偶極子方向與電場方向平行，如圖(c)所示。

這里要說明的是，前面幾種情形包含了兩種情況。其中電子極化和離子極化在沒有外加電場時(shí)并不產(chǎn)生單個(gè)的偶極子。材料的這種性質(zhì)我們通常稱之為非極性(Nonpolar)。相反，取向極化在不施加外場時(shí)，仍然存在著大量的偶極子。材料的這種性質(zhì)我們稱之為極性(Polar)。在通常情況下，由極性分子構(gòu)成的材料，其介電常數(shù)一般比非極性材料要高。例如，水是由極性分子構(gòu)成的，在常溫、零頻情況下，其介電常數(shù)為81左右，而陶瓷材料的介電常數(shù)為9~10。

相對(duì)介電常數(shù)

在介質(zhì)上加上電場后，介質(zhì)的偶極子方向有保持與電場方向平行的趨勢，當(dāng)這種趨勢達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，從宏觀上來看，材料內(nèi)部凈帶電量為零。但在材料的邊界有正負(fù)電荷分布，稱為邊界束縛電荷，如圖所示。極板上的電荷也會(huì)有變化并有所增加。但不同的材料，電荷的增加量是不一樣的。為描述這種由于介電質(zhì)的引人而產(chǎn)生的電荷變化，引人電通量(ElectricFlux Density)這一物理參量。

在靜電場作用下的情形，此時(shí)的介電常數(shù)也稱為靜介電常數(shù)(Static Dielectric Constant)，以區(qū)分于以后在不同頻率下的介電特性，溫室下一些常見介質(zhì)的相對(duì)靜介電常數(shù)如表所示