Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Значения даны для постоянного электрического поля или для малых частот при нормальных условиях. У газов εr близка к единице и слабо зависит от частоты в радиодиапазоне; для практических расчётов в воздушной среде её принимают равной 1.
У полярных жидкостей (вода, спирты, ацетон) εr высокая и заметно зависит от температуры и частоты поля. У неполярных (углеводороды, минеральные масла) εr низкая и устойчивая, что важно для электроизоляционных применений.
Значения εr у полимеров зависят от частоты, температуры и влажности. У неполярных (ПТФЭ, ПЭ, ПП, ПС) εr стабильна и слабо зависит от частоты. У полярных (ПВХ, ПА, эпоксидов) — заметно изменяется при изменении частоты и температуры; данные приведены при стандартных условиях.
Сегнетоэлектрики (BaTiO3, твёрдые растворы на его основе) имеют аномально высокую εr с сильной зависимостью от температуры, напряжённости поля и подмагничивания. Их применяют там, где важна максимальная объёмная ёмкость.
Для электротехнических расчётов и расчётов конденсаторов всегда уточняйте εr при рабочих частоте и температуре. Технические значения приводят в технической документации производителя материала или в специализированных справочниках по электротехнике.
Диэлектрическая проницаемость материалов — основной параметр, который описывает способность вещества накапливать электрическую энергию в электрическом поле за счёт поляризации. Эта характеристика определяет ёмкость конденсаторов, эффективность электрической изоляции, скорость распространения сигнала в кабелях и работу ёмкостных датчиков уровня и влажности. Сводные таблицы выше дают типовые значения относительной диэлектрической проницаемости газов, жидкостей и твёрдых диэлектриков, нужные для практических расчётов и подбора материалов.
Термины и определения параметров диэлектриков установлены ГОСТ 21515-76 «Материалы диэлектрические. Термины и определения». Методы измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь — ГОСТ 6433.4-71 (при 50 Гц для твёрдых) и ГОСТ 22372-77 (в диапазоне 100 Гц — 5 МГц).
Относительная диэлектрическая проницаемость εr (часто называется просто диэлектрической постоянной) — безразмерная величина, показывающая, во сколько раз ёмкость конденсатора, заполненного данным диэлектриком, больше ёмкости такого же конденсатора в вакууме. Чем выше εr, тем сильнее диэлектрик поляризуется во внешнем поле и тем выше ёмкость конструкции.
εa = εr · ε0
ε0
C = εr · ε0 · S / d
S
d
C = 2,3 · 8,854·10−12 · 0,01 / 1·10−4 = 2,04·10−9 Ф = 2,04 нФ
C ≈ 1,77 мкФ
Диэлектрическая проницаемость определяет, сколько энергии способен запасти конденсатор данной геометрии, и насколько эффективно изоляция предотвращает утечки.
У газов в нормальных условиях εr близка к единице — отличается от вакуума лишь в третьем-четвёртом знаке после запятой. Это следствие малой концентрации молекул и слабой поляризации. С повышением давления εr газа растёт линейно (в первом приближении пропорционально плотности).
В большинстве технических расчётов воздуха проницаемостью газа можно пренебречь и принимать её равной 1. Уточнённые значения важны там, где речь идёт о высокоточных конденсаторах с воздушным зазором, эталонных мерах ёмкости, ёмкостных датчиках влажности и состава газовой смеси.
Электрическая прочность SF6 на порядок выше, чем у воздуха, что используется в высоковольтных коммутационных аппаратах и трансформаторах. Диэлектрическая проницаемость SF6 при атмосферном давлении лишь немного выше воздуха, но при рабочих повышенных давлениях (несколько сотен кПа и выше) она пропорционально возрастает.
Среди жидкостей принципиально различаются полярные и неполярные. Полярные молекулы (вода, спирты, ацетон) обладают собственным дипольным моментом; внешнее поле выстраивает их вдоль направления поля, что даёт высокую εr. Неполярные жидкости (углеводороды, минеральные масла, бензин) поляризуются только за счёт смещения электронных оболочек и атомов; их εr близка к 2.
Дистиллированная вода — одна из самых высокопроницаемых обычных жидкостей; при комнатной температуре εr около 80. С ростом температуры εr воды снижается (до примерно 56 при 100 °C). На СВЧ происходит Дебаевская релаксация: εr резко падает в диапазоне нескольких десятков ГГц, что определяет нагрев воды в микроволновых печах и СВЧ-сушке.
Минеральное трансформаторное масло — типовая жидкая изоляция в силовых трансформаторах. Его εr устойчиво лежит в диапазоне 2,1-2,4, что близко к εr бумажной изоляции и обеспечивает однородное распределение поля в бумажно-масляной изоляции. Электроизоляционные жидкости испытывают по ГОСТ 6581-75. Появление влаги резко ухудшает диэлектрические свойства масла, поэтому контроль водосодержания обязателен в эксплуатации.
Твёрдые диэлектрики покрывают почти весь спектр инженерных применений: от изоляции силовых кабелей до материалов конденсаторов и подложек микросхем. Различают три большие группы.
Неполярные полимеры (ПТФЭ, ПЭ, ПП, ПС) имеют низкую εr в диапазоне примерно 2,1-2,6 и слабую частотно-температурную зависимость; их применяют в высокочастотной изоляции, плёночных конденсаторах, кабелях связи. Полярные полимеры (ПВХ, ПА, эпоксидные смолы, ПЭТФ) имеют εr в диапазоне 3-5 и заметную зависимость от частоты и температуры; их применяют там, где важны механическая прочность, химическая стойкость и пожарные свойства.
Стёкла и керамика обладают εr в диапазоне примерно 4-10, высокой электрической прочностью и отличной термостойкостью. Электротехнический фарфор и стеатит — традиционные материалы изоляторов ЛЭП и распределительных устройств; глинозёмная керамика (Al2O3) — типовой материал подложек гибридных интегральных схем и СВЧ-конструкций. Слюда (мусковит, флогопит) — природный кристаллический диэлектрик с высокой пробивной прочностью и стабильной εr.
Сегнетоэлектрики — особый класс материалов с гигантской диэлектрической проницаемостью (от сотен до десятков тысяч) и нелинейной зависимостью от поля. Базовый представитель — титанат бария BaTiO3; на его основе делают керамические конденсаторы массовых классов (X7R, Y5V, Z5U) с высокой удельной ёмкостью. У сегнетоэлектриков εr резко возрастает вблизи температуры Кюри и сильно зависит от подмагничивающего постоянного напряжения, что необходимо учитывать в схемотехнике.
У высокопроницаемой керамики εr в каталогах указывается при стандартных условиях. При повышенном напряжении смещения, в нагретом состоянии и на высокой частоте реальная ёмкость существенно отличается от номинальной. Это обязательно учитывают в расчётах фильтров и времязадающих цепей.
Диэлектрическая проницаемость не является фиксированной константой материала. Она изменяется при изменении частоты, температуры, напряжённости поля, влажности и старения диэлектрика.
На постоянном токе и низких частотах в материал успевают вовлекаться все типы поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная, миграционная. С ростом частоты «выключаются» более медленные механизмы (миграционная, затем дипольная), и εr ступенчато снижается. Каждой ступени соответствует резонансная или релаксационная частота, и в этом диапазоне резко возрастают диэлектрические потери (tg δ).
У большинства полимеров и стёкол εr постепенно растёт с температурой. У сегнетоэлектрической керамики поведение нелинейное: вблизи точки Кюри εr резко возрастает и затем падает. У жидкостей εr обычно снижается с повышением температуры.
Поглощённая влага существенно увеличивает εr и tg δ пористых материалов (бумага, текстолит, гетинакс). Старение полимеров под действием температуры, УФ-излучения и кислорода приводит к изменению структуры макромолекул и, как следствие, к изменению диэлектрических свойств.
В электротехнике диэлектрическая проницаемость напрямую участвует в двух противоположных задачах — изоляции и конденсаторостроении.
Для изоляции, наоборот, чаще предпочтительна низкая εr: она снижает ёмкостные токи утечки, минимизирует паразитные связи между жилами и улучшает скорость распространения сигнала. Поэтому в кабелях связи изоляцию выполняют из полиэтилена, полипропилена и фторопласта; в силовых высоковольтных кабелях — из сшитого полиэтилена (XLPE). Бумажно-масляная изоляция в трансформаторах и кабелях основана на согласовании εr бумаги и масла, обеспечивающем равномерное распределение поля.
Для конденсаторов нужна максимальная ёмкость в заданном объёме, поэтому диэлектрик подбирают с максимальной достижимой εr при приемлемых потерях и термостабильности. Современные классы:
В контрольно-измерительных приборах диэлектрическая проницаемость используется как основной информативный параметр в целом классе ёмкостных датчиков.
Действующие отечественные стандарты на измерение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь:
Безразмерная величина εr, показывающая, во сколько раз ёмкость конденсатора, заполненного данным диэлектриком, больше ёмкости такого же конденсатора в вакууме. Связь с абсолютной проницаемостью: εa = εr · ε0, где ε0 = 8,854·10−12 Ф/м — электрическая постоянная. Определение установлено ГОСТ 21515-76 и ГОСТ Р 52002-2003.
При нормальных условиях (0 °C, атмосферное давление) у сухого воздуха εr приблизительно 1,00058. В большинстве инженерных расчётов её принимают равной единице — отличие от вакуума несущественно. Уточнённое значение используется в эталонных конденсаторах с воздушным зазором и в высокоточной радиоизмерительной технике.
У дистиллированной воды при 20 °C εr около 80. Это одно из самых высоких значений среди обычных жидкостей и обусловлено сильным дипольным моментом молекул H2O. С ростом температуры εr воды снижается; на СВЧ-частотах (десятки ГГц) происходит Дебаевская релаксация, и εr резко падает, что используется в микроволновой сушке и нагреве.
У полиэтилена (ПЭ) εr в диапазоне примерно 2,2-2,4 (типичное значение 2,3) и практически не зависит от частоты в радиодиапазоне. У политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласт-4) εr около 2,1 — одна из самых низких среди твёрдых полимеров. Оба материала — стандартный выбор для высокочастотной изоляции, кабелей и плёночных конденсаторов.
Чтобы получить максимальную ёмкость в минимальном объёме — это критически важно для конденсаторов в источниках питания, фильтрах, цепях развязки. Материалы с высокой εr (сегнетоэлектрическая керамика, оксидные плёнки в электролитических конденсаторах) позволяют создавать ёмкости от микрофарад до фарад при разумных размерах. Платой служат более выраженные нелинейности и температурная нестабильность.
В изоляции кабелей связи и СВЧ-передающих линий — низкая εr снижает паразитную ёмкость, минимизирует затухание и увеличивает скорость распространения сигнала. В подложках высокоскоростной цифровой электроники предпочтительны материалы с малой εr для уменьшения задержек распространения. В высоковольтных воздушных линиях электропередачи рабочей изоляцией служит сам воздух с εr около 1.
У неполярных материалов (ПТФЭ, ПЭ, ПП, минеральные масла) εr практически постоянна в широком диапазоне частот. У полярных полимеров и жидкостей εr снижается с ростом частоты ступенями: на каждом «выключении» того или иного механизма поляризации проницаемость падает, а потери (tg δ) проходят максимум. Для воды граница ступени лежит в диапазоне 10-20 ГГц, для большинства полимеров — на порядки ниже.
Термины и определения — ГОСТ 21515-76 «Материалы диэлектрические. Термины и определения» и ГОСТ Р 52002-2003 «Электротехника. Термины и определения основных понятий». Методы измерения для твёрдых электроизоляционных материалов при 50 Гц — ГОСТ 6433.4-71. В диапазоне 100 Гц — 5 МГц — ГОСТ 22372-77 «Материалы диэлектрические. Методы определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 100 до 5·106 Гц». Для жидких электроизоляционных материалов — ГОСТ 6581-75.
Tg δ характеризует долю активной электрической мощности, рассеиваемой в диэлектрике в виде тепла под действием переменного поля. Формально это отношение мнимой и действительной составляющих комплексной диэлектрической проницаемости: tg δ = ε″ / ε′. Чем выше tg δ, тем больше тепловыделение в изоляции при заданной напряжённости поля. Для высокочастотных и высоковольтных применений выбирают материалы с минимальным tg δ — фторопласт, полиэтилен, кварцевое стекло.
Для статической εr обычных материалов в постоянном поле — нет, она всегда не меньше единицы (значение вакуума). Однако на оптических и более высоких частотах действительная часть комплексной проницаемости ε′ может быть меньше единицы и даже отрицательной — это характерно для металлов в видимом и УФ-диапазонах. Это свойство лежит в основе плазмонных эффектов и метаматериалов.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.