电容率

在電磁學裏，介電質響應外電場的施加而電極化的衡量，稱為電容率。在非真空中由於介電質被電極化，在物質內部的總電場會減小。電容率關係到介電質傳輸（或容許）電場的能力。電容率衡量電場怎樣影響介電質，怎樣被介電質影響。電容率又稱為「絕對電容率」。 在國際單位制中，電容率的測量單位是法拉每公尺（F/m）。真空的電容率，稱為真空電容率，或「真空介電常數」，標記為 ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} 。 ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} ≈8.854187817…×10⁻¹² F/m。 電位移 D {\displaystyle \mathbf {D} } 的定義式為 D   = def   ε 0 E + P {\displaystyle \mathbf {D} \ {\stackrel {\text{def}}{=}}\ \varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} } ； 其中， E {\displaystyle \mathbf {E} } 是電場， P {\displaystyle \mathbf {P} } 是電極化強度。 對於均向性的、線性的、均勻介電質，電極化強度 P {\displaystyle \mathbf {P} } 與電場 E {\displaystyle \mathbf {E} } 成正比： P = χ e ε 0 E {\displaystyle \mathbf {P} =\chi _{\text{e}}\varepsilon _{0}\mathbf {E} } ； 其中， χ e {\displaystyle \chi _{\text{e}}} 是電極化率 所以，電位移與電場的關係方程式為 D = ε E {\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon \mathbf {E} } ； 其中， ε {\displaystyle \varepsilon } 是電容率。 假若，介電質是異向性的，則電容率是一個二階張量，可用矩陣來表示。 一般而言，電容率不是常數，可以隨著在介電質內的位置而改變，隨著電場的頻率、溼度、溫度或其它參數而改變。對於一個非線性介電質，電容率有可能會隨著電場強度而改變。當電容率是頻率的函數時，它的數值有可能是實數，也有可能是複數。 真空電容率 ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} 的意義是電位移 D 0 {\displaystyle D_{0}} 與電場 E 0 {\displaystyle E_{0}} 在真空裏的比值，其值的定義式如下： ε 0   = def   1 c 2 μ 0 = 1 35950207149.4727056 π {\displaystyle \varepsilon _{0}\ {\stackrel {\text{def}}{=}}\ {\frac {1}{{c}^{2}\mu _{0}}}={\frac {1}{35950207149.4727056\pi }}} F/m ≈ 8.854187817... × 10 − 12 {\displaystyle \approx 8.854187817...\times 10^{-12}} F/m 其中， c {\displaystyle c} 是光波在真空中的光速， μ 0 {\displaystyle \mu _{0}} 是真空磁導率。其中，真空磁導率的定義值為 μ 0 = 4 π × 10 − 7 {\displaystyle \mu _{0}=4\pi \times 10^{-7}} T·m/A。 在國際單位制裡，常數 c {\displaystyle c} 和 μ 0 {\displaystyle \mu _{0}} 都是準確值（參閱NIST （页面存档备份，存于互联网档案馆））。所以，關於公尺或安培這些物理量單位的數值設定，不能採用定義方式，而必須設計精密的實驗來測量計算求得。由於 π {\displaystyle \pi } 是個無理數， ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} 的數值只能夠以近似值來表示。 真空電容率 ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} 也出現於庫侖定律，是庫侖常數 k = 1 4 π ε 0 {\displaystyle k={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}} 的一部份。所以，庫侖常數 k {\displaystyle k} 也是一個準確值。 對於線性介質，電容率與真空電容率的比率，稱為相對電容率 ε r {\displaystyle \varepsilon _{\text{r}}} ： ε r = ε ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{\text{r}}={\frac {\varepsilon }{\varepsilon _{0}}}} 請注意，這公式只有在靜止的、零頻率的狀況才成立。 對於各向異性材料，相對電容率是個張量；對於各向同性材料，相對電容率是個標量。 對於常見的案例，均向性介質， D {\displaystyle \mathbf {D} } 和 E {\displaystyle \mathbf {E} } 是平行的向量，電容率 ε {\displaystyle \varepsilon } 是會造成雙折射的二階張量。介質的電容率和磁導率 μ {\displaystyle \mu } ，共同地決定了，電磁波通過介質時的相速度 v p {\displaystyle v_{\text{p}}} ： ε μ = 1 v p 2 {\displaystyle \varepsilon \mu ={\frac {1}{v_{\text{p}}^{2}}}} 對於線性介電質，電極化強度 P {\displaystyle \mathbf {P} } 與電場 E {\displaystyle \mathbf {E} } 成正比： P = χ e ε 0 E {\displaystyle \mathbf {P} =\chi _{\text{e}}\varepsilon _{0}\mathbf {E} } 將這方程式代入電位移的定義式，可以得到電位移與電場的關係式： D = ( 1 + χ e ) ε 0 E {\displaystyle \mathbf {D} =(1+\chi _{\text{e}})\varepsilon _{0}\mathbf {E} } 所以，電容率與電極化率的關係式為 ε = ( 1 + χ e ) ε 0 {\displaystyle \varepsilon =(1+\chi _{\text{e}})\varepsilon _{0}} 一般物質對於含時外電場的響應，跟真空的響應大不相同。一般物質的響應，通常跟外電場的頻率有關。這屬性反映出一個事實，那就是，由於物質具有質量，物質的電極化響應無法瞬時的跟上外電場。響應總是必需合乎因果關係，這需求可以以相位差來表達。因此，電容率時常以複函數來表達（複數允許同步的設定大小值和相位），而這複函數的參數為外電場頻率 ω {\displaystyle \omega } ： ε → ε ^ ( ω ) {\displaystyle \varepsilon \rightarrow {\widehat {\varepsilon }}(\omega )} 。這樣，電容率的關係式為 D 0 e − i ω t = ε ^ ( ω ) E 0 e − i ω t {\displaystyle D_{0}\mathrm {e} ^{-\mathrm {i} \omega t}={\widehat {\varepsilon }}(\omega )E_{0}\mathrm {e} ^{-\mathrm {i} \omega t}} 其中， D 0 {\displaystyle D_{0}} 和 E 0 {\displaystyle E_{0}} 分別是電位移和電場的振幅。 請注意，時間相關性項目的正負號選擇（指數函數的指數的正負號），決定了電容率虛值部份的正負號常規。在這裏採用的正負號慣用於物理學；在工程學裏，必須逆反所有虛值部份的正負號。 一個介電質對於靜電場的響應，是由電容率的低頻率極限來描述，又稱為「靜電容率」 ε s {\displaystyle \varepsilon _{\text{s}}} ： ε s = lim ω → 0 ε ^ ( ω ) {\displaystyle \varepsilon _{\text{s}}=\lim _{\omega \rightarrow 0}{\widehat {\varepsilon }}(\omega )} 在高頻率極限，複電容率一般標記為 ε ∞ {\displaystyle \varepsilon _{\infty }} 。當頻率等於或超過電漿頻率（plasma frequency）時，介電質的物理行為近似理想金屬，可以用自由電子模型來計算。對於低頻率交流電場，靜電容率是個很好的近似。隨著頻率的增高，可測量到的相位差 δ {\displaystyle \delta } 開始出現於 D {\displaystyle \mathbf {D} } 和 E {\displaystyle \mathbf {E} } 之間。出現時候的頻率跟溫度、介質種類有關。在中等的電場強度 E 0 {\displaystyle E_{0}} 狀況， D {\displaystyle \mathbf {D} } 和 E {\displaystyle \mathbf {E} } 保持成正比： ε ^ = D 0 E 0 e i δ = | ε | e i δ {\displaystyle {\widehat {\varepsilon }}={\frac {D_{0}}{E_{0}}}\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \delta }=|\varepsilon |\mathrm {e} ^{\mathrm {i} \delta }} 由於介質對於交流電場的響應特徵是複電容率，為了更詳細的分析其物理性質，很自然地，必須分離其實數和虛值部份，通常寫為： ε ^ ( ω ) = ε ′ ( ω ) − i ε ″ ( ω ) = D 0 E 0 ( cos ⁡ δ − i sin ⁡ δ ) {\displaystyle {\widehat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon '(\omega )-\mathrm {i} \varepsilon ''(\omega )={\frac {D_{0}}{E_{0}}}\left(\cos \delta -\mathrm {i} \sin \delta \right)} 其中，虛值部份 ε ″ {\displaystyle \varepsilon ''} 關係到能量的耗散，而實值部份 ε ′ {\displaystyle \varepsilon '} 則關係到能量的儲存。 由於複電容率是一個發生於多重頻率的色散現象的疊加，其描述必須能夠兼顧到這些色散現象。因此，複電容率通常會是一個相當複雜的、參數為頻率的函數，稱為「介電函數」。電容率 ε ^ {\displaystyle {\widehat {\varepsilon }}} 的極點必須匹配虛值部份為正值的頻率，因此滿足克拉莫-克若尼關係式。但是，在一般作業的狹窄頻率值域內，電容率可以近似為跟頻率無關，或者以適當的模型函數為近似。 依據電容率和電導率 σ {\displaystyle \sigma } ，物質可以大致分為三類：導體、介電質、其它一般介質。高損耗物質會抑制電磁波的傳播。通常，這些物質的 σ ω ε ≫ 1 {\displaystyle {\frac {\sigma }{\omega \varepsilon }}\gg 1} ，可以被視為優良導體。無損耗或低損耗物質， σ ω ε ≪ 1 {\displaystyle {\frac {\sigma }{\omega \varepsilon }}\ll 1} ，可以被視為介電質。其它不包括在這兩種限制內的物質，被分類為一般介質。完美介電質是電導率等於0的物質，通常只允許有小量的位移電流存在。這種物質儲存和歸還電能的性質就好像理想電容器一樣。 對於高損耗介質案例，當傳導電流不能被忽略時，總電流密度 J tot {\displaystyle J_{\text{tot}}} 是 J tot = J c + J d = σ E − i ω ε E = − i ω ε ^ E {\displaystyle J_{\text{tot}}=J_{\text{c}}+J_{\text{d}}=\sigma E-\mathrm {i} \omega \varepsilon E=-\mathrm {i} \omega {\widehat {\varepsilon }}E} 其中， J c {\displaystyle J_{c}} 是傳導電流密度， J d {\displaystyle J_{d}} 是位移電流密度， σ {\displaystyle \sigma } 是介質的電導率， ε {\displaystyle \varepsilon } 是介質電容率的實值部分， ε ^ {\displaystyle {\widehat {\varepsilon }}} 是介質的複電容率。 位移電流跟外電場 E {\displaystyle E} 的頻率 ω {\displaystyle \omega } 有關。假若外電場是個靜電場，則位移電流等於0。 採用這形式論，複電容率定義為 ε ^ = ε − i σ ω {\displaystyle {\widehat {\varepsilon }}=\varepsilon -\mathrm {i} {\frac {\sigma }{\omega }}} 通常，介電質對於電磁能量有幾種不同的吸收機制。受到這幾種吸收機制的影響，隨著頻率的改變，電容率函數的樣子也會有所改變(例:壓電材料)。 弛豫（relaxation）效應發生於永久偶極分子和感應偶極分子。當頻率較低的時候，電場的變化很慢。這允許偶極子足夠的時間，對於任意時候的電場，都能夠達成平衡狀態。假若，因為介質的黏滞性，偶極子無法跟上頻率較高的電場，電場能量就會被吸收，由而導致能量耗散。偶極子的這種弛豫機制稱為介電質弛豫（dielectric relaxation）。理想偶極子的弛豫機制可以用經典的德拜弛豫（Debye relaxation）來描述。 共振效應是由原子、離子、電子等等的旋轉或振動產生的。在它們特徵吸收頻率的附近，可以觀察到這些程序。 上述兩種效應時常會合併起來，使得電容器產生非線性效應。例如，當一個充電很久的電容器被短暫地放電時，它無法完全放電的效應稱為「介電質吸收」。一個理想電容器，經過放電後，電壓應該是0 伏特。但是，實際的電容器會餘留一些電壓，稱為「殘餘電壓」。有些介電質，像各種不同的聚合物薄膜，殘餘電壓小於原本電壓的1~2%。但是，電解電容器（electrolytic capacitor）或超高電容器（supercapacitor）的殘餘電壓可能會高達15~25%。 在量子力學裏，電容率可以用發生於原子層次和分子層次的量子作用來解釋。 在較低頻率區域，極性介電質的分子會被外電場電極化，因而誘發出周期性轉動。例如，在微波頻率區域，微波場促使物質內的水分子做週期性轉動。水分子與周邊分子的相互碰撞產生了熱能，使得含水分物質的溫度增高。這就是為什麼微波爐可以很有效率地將含有水分的物質加熱。水的電容率的虛值部分（吸收指數）有兩個最大值，一個位於微波頻率區域，另一個位於遠紫外線（UV）頻率區域。這兩個共振頻率都高於微波爐的操作頻率。 在中間頻率區域，高過促使轉動的頻率區域，又遠低於能夠直接影響電子運動的頻率區域，能量是以共振的分子振動形式被吸收。對於水介質，這是吸收指數開始顯著地下降的區域。吸收指數的最低值是在藍光頻率區域（可見光譜段）。這就是為什麼日光不會傷害像眼睛一類的含水生物組織。 在高頻率區域（像遠紫外線頻率或更高頻率），分子無法弛豫。這時，能量完全地被原子吸收，因而激發電子，使電子躍遷至更高能級，甚至游離出原子。擁有這頻率的電磁波會導致游離輻射。 雖然，從開始到最後，對於物質的介電行為，做一個完全的計算機模擬，是一個可行之計。但是，這方法還沒有得到廣泛的使用。替代地，科學家接受現象模型為一個足以勝任的方法，可以用來捕捉實驗行為。德拜弛豫和德拜–勞侖茲模型（Lorentz model）都是很優秀的模型。 物質的電容率可以用幾種靜電測量方法來得到。使用各種各樣的介電質光譜學（英语：Dielectric spectroscopy）（dielectric spectroscopy）方法，在廣泛頻率值域內，任何頻率的複電容率都可以正確地評估出來。這頻率值域覆蓋接近21個數量級的大小值，從10−6到1015 赫茲。另外，使用低溫恒溫器（cryostat）和烤爐，科學家可以測量出，在不同的溫度狀況下，物質的介電性質。 橢圓偏振技術可以用在紅外線頻段和可見光頻段。 也有一些方法用于介电常数的测量。介电常数在微波的范围可以由共振方法测量。 高斯定律 磁化率 馬克士威方程組 克勞修斯-莫索提方程式 國際標準組織NIST和BIPM現在通常的做法，是根據ISO 31的規則，標記光波在真空的光速為 c 0 {\displaystyle c_{0}} 。在原先的1983年建議裏，符號 c {\displaystyle c} 被用於這用途。參閱NIST Special Publication 330, Appendix 2, p. 45 （页面存档备份，存于互联网档案馆） Agilent Basics of Measuring the Dielectric Prop[erties of Materials (PDF). 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