什么是介电常数？——常见介质的相对静介电常数

介电常数的应用Dielectric Constant

介电常数(Dielectric Constant)表征的是材料能使电场通过的能力。其英文前辍Die有通过、跨过的意思。但同时它有另外一层物理含义，即允许电场通过，而不允许粒子通过，包括电子。因此，介电质(绝缘体)的中文释义中的“介"表明的是隔开电流的意思，也就隐含有理想介电质(DielectricMedia)不具有导电能力的意思。

事实上，理想的介电质是不存在的。任何物体总是具备一定的导电能力，只是这种导电能力是有很大的差异的。总体而言，材料大体可以分为3类：介电质(Insulator)、半导体(Semiconductor)和导体(Conductor)。绝缘体的导电能力很差，基本上可以认为是理想的介电质；而半导体具备一定的导电能力，也因此在实际的电子器件中有很广泛的应用价值；导体具有良好的导电特性，在实际生活与生产当中的应用相当广泛。同样，介电质也有很广泛的应用，除了传统的用于制造绝缘体、电容器件外，它还可以用于微波频段内的介电质共振器，从而产生振荡电路的参考频率。

电容器内部结构

利用高介电常数制作的介质谐振天线(Dielectric Resonator Antenna)可以使天线设计小型化，能更好地与集成电路整合。介质谐振器天线是一种谐振式天线，由低损耗的微波介质材料构成，它的谐振频率由谐振器尺寸、形状和相对介电常数所决定。相对于金属谐振腔，介质谐振天线工作在谐振时一直在向外辐射电磁波，因此其辐射效率比较高。同时，介质谐振天线能与目前的集成电路很好地融合，有利于设备的小型化。而印制电路板的基板则无一例外地采用的是介电质。此外，有些介电质在受到机械压力时，会产生电压差，或者受到外加电压时会产生物理形变，这种特性称为压电效应。利用压电效应可以制造传感器、谐振器。常用的压电材料有压电陶瓷、压电晶体等。

压电材料示意图

材料的介电常数与材料在外加电场的作用下的极化特性有关。物体都是由原子或分子组成的，原子是由带正电的原子核及带负电的电子云层组成，而分子则是由相同或不同的多个原子组成的。当不存在外界的电场(ElectricField)或磁场(MagneticField)作用时，电子云层相对于原子核呈现均匀的分布，从而，原子总体上显示的是一种中性的状态，如下图(a)所示。但当施加外电场后，原子的电子云层相对于原子核有小尺度的位移，从整体上来看，正负电荷的中心形成一个电偶极子,并且其方向与电场方向平行，如图(b)所示，这种现象称为电子极化(ElectronicPolarisation)。电子极化是最常见的一种极化现象。

院子模型及原子在外加电场下的电荷分布

另外一种极化称为取向极化(Orientational Polarisation)或偶极子极化(Di-pole Polarisation)。分子极化主要存在于由极化分子组成的物质当中。如水分子是由1个氧原子和2个氢原子组成。3个分子不在同一条直线上，因而使得水分子从整体上来看如同一个偶极子，如下图(a)所示。当没有外加电场时，这些极性分子呈无序分布，因而总体上对外显电中性，如图(b)所示。当施加了电场之后，这些极性分子开始在电场的作用下重新进行排列，使得其自己的偶极子方向与电场方向平行，如图(c)所示。

这里要说明的是，前面几种情形包含了两种情况。其中电子极化和离子极化在没有外加电场时并不产生单个的偶极子。材料的这种性质我们通常称之为非极性(Nonpolar)。相反，取向极化在不施加外场时，仍然存在着大量的偶极子。材料的这种性质我们称之为极性(Polar)。在通常情况下，由极性分子构成的材料，其介电常数一般比非极性材料要高。例如，水是由极性分子构成的，在常温、零频情况下，其介电常数为81左右，而陶瓷材料的介电常数为9~10。

相对介电常数

在介质上加上电场后，介质的偶极子方向有保持与电场方向平行的趋势，当这种趋势达到平衡状态时，从宏观上来看，材料内部净带电量为零。但在材料的边界有正负电荷分布，称为边界束缚电荷，如图所示。极板上的电荷也会有变化并有所增加。但不同的材料，电荷的增加量是不一样的。为描述这种由于介电质的引人而产生的电荷变化，引人电通量(ElectricFlux Density)这一物理参量。

在静电场作用下的情形，此时的介电常数也称为静介电常数(Static Dielectric Constant)，以区分于以后在不同频率下的介电特性，温室下一些常见介质的相对静介电常数如表所示