Hằng số điện môi

Trong lĩnh vực điện từ, độ điện thẩm tương đối hay hằng số điện môi của một vật liệu là tỷ lệ giữa độ điện thẩm tuyệt đối của nó và độ điện thẩm của chân không.

Lực tĩnh điện giữa hai điện tích điểm trong một môi trường bị ảnh hưởng bởi hằng số điện môi của môi trường đó. Cụ thể, lực Coulomb giữa hai điện tích trong môi trường điện môi đồng nhất sẽ nhỏ hơn so với lực trong chân không một hệ số nhất định; hệ số này chính là độ điện thẩm tương đối. Tương tự, độ điện thẩm tương đối của một vật liệu là tỷ số giữa điện dung của tụ điện sử dụng vật liệu đó làm điện môi và điện dung của tụ điện tương tự sử dụng chân không làm điện môi.

Dù cụm từ 'hằng số điện môi' vẫn còn được dùng, các tổ chức tiêu chuẩn trong kỹ thuật và hóa học đã không còn sử dụng thuật ngữ này nữa.

Khái niệm

Độ điện thẩm tương đối thường được biểu thị bằng ε_r(ω) (hoặc đôi khi là κ, ký hiệu kappa) và được định nghĩa bởi

Trong đó, ε(ω) là độ điện thẩm phụ thuộc vào tần số của vật liệu, còn ε₀ là độ điện thẩm của chân không.

Độ điện thẩm tương đối là một đại lượng không có đơn vị, với giá trị có thể là số phức trong trường hợp tổng quát; phần thực và phần ảo của nó thường được ký hiệu như sau:

${\mathrm{\epsilon <!--\; \epsilon \; -->}}_r\left(\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}\right)={\mathrm{\epsilon <!--\; \epsilon \; -->}}_r^{\prime }\left(\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}\right)-<!--\; -\; -->i{\mathrm{\epsilon <!--\; \epsilon \; -->}}_r^{″}\left(\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}\right).$

Độ điện thẩm tương đối thể hiện mức độ cảm ứng điện của vật liệu đó, được ký hiệu là χ_e, và được tính theo công thức ε_r(ω) = 1 + χ_e.

Trong các môi trường không đồng nhất về mặt cấu trúc (như các tinh thể không lập phương), độ điện thẩm tương đối được thể hiện dưới dạng một tensor bậc hai.

Độ điện thẩm tương đối của một vật liệu khi tần số bằng không được gọi là độ điện thẩm tương đối tĩnh.

Thuật ngữ

Thuật ngữ phổ biến để chỉ độ điện thẩm tương đối là hằng số điện môi, và vẫn đang được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, thuật ngữ này đã bị các tổ chức chuẩn hóa như IEEE và IUPAC loại bỏ vì dễ gây nhầm lẫn với độ điện thẩm tuyệt đối ε. Trong ngành, cụm từ độ điện thẩm tương đối có thể chỉ định tính chất không thay đổi hoặc một tính chất phụ thuộc vào tần số. Đôi khi, thuật ngữ này cũng chỉ phần thực ε'_r của đại lượng giá trị phức nói trên.

Vật lý

Độ điện thẩm tương đối là một đại lượng số phức, trong đó phần ảo biểu thị sự lệch pha của phân cực P so với điện trường E và dẫn đến sự giảm sút của sóng điện từ khi truyền qua môi trường. Theo định nghĩa, hằng số điện môi của chân không là 1, tức ε = ε₀, mặc dù có thể xuất hiện các hiệu ứng lượng tử phi tuyến tính trong chân không khi điện trường mạnh.

Bảng dưới đây liệt kê hằng số điện môi của một số dung môi thông dụng.

Đo lường

Để đo độ điện thẩm tương đối ε_r, trước tiên người ta đo điện dung của một tụ điện có chân không giữa hai bản tụ, ký hiệu là C₀. Sau đó, điện dung của cùng một tụ điện nhưng với một điện môi giữa hai bản được đo và ký hiệu là C. Độ điện thẩm tương đối được tính bằng

${\mathrm{\epsilon <!--\; \epsilon \; -->}}_r=\frac{C}{C_0}.$

Khi trường điện từ thay đổi theo thời gian, độ điện thẩm tương đối sẽ thay đổi theo tần số. Một cách tính ε_r gián tiếp là chuyển đổi kết quả đo từ các tham số S ở tần số radio. Thêm vào đó, có thể áp dụng hiệu ứng cộng hưởng ở những tần số nhất định.

• Độ điện thẩm
• Độ điện thẩm của chân không