السماحية النسبية

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
السماحية النسبية لبعض المواد عند درجة حرارة الغرفة تحت تردد 1 كيلو هرتز
مادةε r
مكنسة1 (بحسب التعريف)
هواء1.000 589 86 ± 0.000 000 50 (عند STP ، 900  كيلو هرتز)، [ 1 ]
PTFE / تفلون2.1
البولي إيثيلين / XLPE2.25
البوليميد3.4
البولي بروبيلين2.2–2.36
البوليسترين2.4–2.7
ثاني كبريتيد الكربون2.6
بوبيت3.1 [ 2 ]
الورق ، الطباعة1.4 [ 3 ] (200  كيلو هرتز)
البوليمرات الكهروفعالة2-12
الميكا3-6 [ 2 ]
ثاني أكسيد السيليكون3.9 [ 4 ]
الياقوت8.9–11.1 (غير متناحٍ) [ 5 ]
أسمنت4.5
بايركس ( زجاج )4.7 (3.7–10)
النيوبرين6.7 [ 2 ]
المطاط الطبيعي7
الماس5.5–10
ملح3-15
راتنج الميلامين7.2–8.4 [ 6 ]
جرافيت10-15
مطاط السيليكون2.9–4 [ 7 ]
السيليكون11.68
GaAs12.4 [ 8 ]
نتريد السيليكون7-8 (متعدد البلورات، 1  ميجاهرتز) [ 9 ] [ 10 ]
الأمونيا26، 22، 20، 17 (−80، −40، 0، +20  درجة مئوية)
الميثانول30
إيثيلين جليكول37
فورفورال42.0
الجلسرين41.2، 47، 42.5 (0، 20، 25  درجة مئوية)
ماء87.9، 80.2، 55.5 (0، 20، 100  درجة مئوية) [ 11 ] للضوء المرئي: 1.77
حمض الهيدروفلوريك175، 134، 111، 83.6 (−73، −42، −27، 0  درجة مئوية)،
الهيدرازين52.0 (20  درجة مئوية)،
فورماميد84.0 (20  درجة مئوية)
حمض الكبريتيك84–100 (20–25  درجة مئوية)
بيروكسيد الهيدروجين128 مائي –60 (−30–25  درجة مئوية)
حمض الهيدروسيانيك158.0–2.3 (0–21  °C)
ثاني أكسيد التيتانيوم86–173
تيتانات السترونتيوم310
تيتانات الباريوم والسترونتيوم500
تيتانات الباريوم [ 12 ]1200–10000 (20–120  درجة مئوية)
تيتانات زركونات الرصاص500–6000
البوليمرات المترافقة1.8–6 حتى 100000 [ 13 ]
تيتانات الكالسيوم والنحاس>250,000 [ 14 ]
تأثير درجة الحرارة على السماحية الساكنة النسبية للماء

السماحية النسبية ( أو ثابت العزل الكهربائي في النصوص القديمة ) هي سماحية المادة معبرًا عنها كنسبة إلى السماحية الكهربائية للفراغ . العازل هو مادة عازلة، وثابت العزل الكهربائي للعازل يقيس قدرة العازل على تخزين الطاقة الكهربائية في مجال كهربائي.

السماحية هي خاصية للمادة تؤثر على قوة كولوم بين شحنتين نقطيتين فيها. السماحية النسبية هي العامل الذي يقل به المجال الكهربائي بين الشحنتين مقارنةً بالفراغ.

وبالمثل، فإن السماحية النسبية هي نسبة سعة مكثف يستخدم تلك المادة كعازل ، مقارنةً بسعة مكثف مماثل يستخدم الفراغ كعازل. وتُعرف السماحية النسبية أيضًا باسم ثابت العزل الكهربائي، وهو مصطلح لا يزال مستخدمًا ولكنه أصبح غير مُعتمد من قِبل منظمات المعايير في الهندسة [ 15 ] وكذلك في الكيمياء [ 16 ] .

تعريف

يُرمز عادةً إلى السماحية النسبية بالرمز ε r ( ω ) (وأحيانًا κ ، بحرف كابا الصغير ) وتُعرَّف على النحو التالي:

εر(ω)=ε(ω)ε0،{\displaystyle \varepsilon _{\text{r}}(\omega )={\frac {\varepsilon (\omega )}{\varepsilon _{0}}},}

حيث ε ( ω ) هي السماحية المعقدة المعتمدة على التردد للمادة، و ε 0 هي سماحية الفراغ .

السماحية النسبية هي عدد بلا أبعاد وهو بشكل عام ذو قيمة مركبة ؛ يتم الإشارة إلى أجزائه الحقيقية والخيالية على النحو التالي: [ 17 ]

εر(ω)=εر′(ω)-أناεر"(ω).{\displaystyle \varepsilon _{\text{r}}(\omega )=\varepsilon _{\text{r}}'(\omega )-i\varepsilon _{\text{r}}''(\omega ).}

ترتبط السماحية النسبية للوسط بقابليته الكهربائية ، χ e ، على النحو التالي: ε r ( ω ) = 1 + χ e .

في الأوساط غير المتجانسة (مثل البلورات غير المكعبة) يكون السماحية النسبية موترًا من الرتبة الثانية .

تُعرف السماحية النسبية لمادة ما عند تردد يساوي صفرًا باسم سماحيتها النسبية الساكنة .

مصطلحات

المصطلح التاريخي للنفاذية النسبية هو ثابت العزل الكهربائي . لا يزال هذا المصطلح شائع الاستخدام، ولكنه لم يعد يُعتمد من قِبل منظمات المعايير [ 15 ] [ 16 ] نظرًا لغموضه، حيث استخدمته بعض التقارير القديمة للإشارة إلى النفاذية المطلقة ε . [ 15 ] [ 18 ] [ 19 ] يمكن ذكر النفاذية إما كخاصية ثابتة أو كمتغير يعتمد على التردد، وفي هذه الحالة تُعرف أيضًا باسم دالة العزل الكهربائي . كما استُخدمت للإشارة إلى الجزء الحقيقي فقط ε′r من النفاذية النسبية ذات القيم المركبة .

الفيزياء

في النظرية السببية للموجات، تُعتبر السماحية كمية مركبة. يُقابل الجزء التخيلي منها إزاحة طورية للاستقطاب P بالنسبة إلى المجال الكهربائي E ، مما يؤدي إلى توهين الموجات الكهرومغناطيسية المارة عبر الوسط. وبحسب التعريف، فإن السماحية النسبية الخطية للفراغ تساوي 1، [ 19 ] أي ε = ε₀ ، على الرغم من وجود تأثيرات كمومية غير خطية نظرية في الفراغ تصبح ذات أهمية عند شدة المجال العالية. [ 20 ]

يوضح الجدول التالي بعض القيم النموذجية.

السماحية النسبية منخفضة التردد لبعض المذيبات الشائعة
مذيبالسماحية النسبيةدرجة حرارة
C 6 H 6البنزين2.3298 كلفن (25  درجة مئوية)
Et 2 Oإيثر ثنائي الإيثيل4.3293 كلفن (20  درجة مئوية)
(CH 2 ) 4 Oرباعي هيدروفوران (THF)7.6298 كلفن (25  درجة مئوية)
CH 2 Cl 2ثنائي كلورو الميثان9.1293 كلفن (20  درجة مئوية)
NH3 ( سائل )​الأمونيا السائلة17273 كلفن (0  درجة مئوية)
C 2 H 5 OHالإيثانول24.3298 كلفن (25  درجة مئوية)
CH 3 OHالميثانول32.7298 كلفن (25  درجة مئوية)
CH 3 NO 2نيتروميثان35.9303 كلفن (30  درجة مئوية)
HCONMe 2ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)36.7298 كلفن (25  درجة مئوية)
CH 3 CNأسيتونيتريل37.5293 كلفن (20  درجة مئوية)
H 2 Oماء78.4298 كلفن (25  درجة مئوية)
HCONH 2الفورماميد109293 كلفن (20  درجة مئوية)

تبلغ سماحية الجليد النسبية عند الترددات المنخفضة حوالي 96 عند درجة حرارة -10.8  درجة مئوية، وتنخفض إلى 3.15 عند الترددات العالية، وهي قيمة مستقلة عن درجة الحرارة. [ 21 ] وتبقى ضمن النطاق 3.12-3.19 للترددات بين حوالي 1  ميجاهرتز ومنطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة. [ 22 ]

عزيمة

يمكن تحديد السماحية النسبية الساكنة، εr ، للحقول الكهربائية الساكنة كما يلي: أولًا، تُقاس سعة مكثف اختبار ، C0 ، مع وجود فراغ بين لوحيه. ثم، باستخدام نفس المكثف والمسافة بين لوحيه، تُقاس السعة C مع وجود مادة عازلة بين اللوحين. ويمكن بعد ذلك حساب السماحية النسبية كما يلي:

εر=جج0.{\displaystyle \varepsilon _{\text{r}}={\frac {C}{C_{0}}}.}

بالنسبة للحقول الكهرومغناطيسية المتغيرة مع الزمن ، تصبح هذه الكمية معتمدة على التردد . إحدى الطرق غير المباشرة لحساب εr هي تحويل نتائج قياسات معاملات التشتت (S-parameters) بترددات الراديو . يمكن الاطلاع على وصف لتحويلات معاملات التشتت (S-parameters) الشائعة الاستخدام لتحديد εr للمواد العازلة المعتمدة على التردد في هذا المرجع الببليوغرافي. [ 23 ] بدلاً من ذلك، يمكن استخدام تأثيرات الرنين عند ترددات ثابتة. [ 24 ]

التطبيقات

طاقة

تُعدّ السماحية النسبية معلومة أساسية عند تصميم المكثفات ، وفي حالات أخرى يُتوقع فيها أن تُضيف مادة ما سعةً كهربائيةً إلى الدائرة. إذا وُضعت مادة ذات سماحية نسبية عالية في مجال كهربائي ، فإنّ شدة هذا المجال ستنخفض بشكل ملحوظ داخل حجم المادة العازلة. تُستخدم هذه الحقيقة عادةً لزيادة سعة تصميم مكثف معين. كما تعمل الطبقات الموجودة أسفل الموصلات المحفورة في لوحات الدوائر المطبوعة ( PCBs ) كعوازل كهربائية.

تواصل

تُستخدم المواد العازلة في خطوط نقل الترددات الراديوية . في الكابلات المحورية ، يُمكن استخدام البولي إيثيلين بين الموصل المركزي والغطاء الخارجي. كما يُمكن وضعه داخل الموجهات الموجية لتشكيل مرشحات . تُعد الألياف الضوئية مثالًا على الموجهات الموجية العازلة . وهي تتكون من مواد عازلة مُطعّمة عمدًا بشوائب للتحكم بدقة في قيمة السماحية النسبية (εr ) داخل المقطع العرضي. وهذا بدوره يتحكم في معامل انكسار المادة، وبالتالي في أنماط الإرسال الضوئي. مع ذلك، في هذه الحالات، تُعدّ السماحية النسبية هي العامل الحاسم من الناحية التقنية، نظرًا لأنها لا تعمل ضمن حدود الشحنات الكهروستاتيكية.

بيئة

تتغير السماحية النسبية للهواء بتغير درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي. [ 25 ] يمكن تصميم أجهزة استشعار لرصد التغيرات في السعة الكهربائية الناتجة عن تغيرات السماحية النسبية. ويعود معظم هذا التغير إلى تأثيرات درجة الحرارة والرطوبة، نظرًا لثبات الضغط الجوي نسبيًا. وباستخدام تغير السعة الكهربائية، إلى جانب درجة الحرارة المقاسة، يمكن حساب الرطوبة النسبية باستخدام المعادلات الهندسية.

كيمياء

تُعدّ السماحية الساكنة النسبية للمذيب مقياسًا نسبيًا لقطبيته الكيميائية . فعلى سبيل المثال، الماء شديد القطبية، وتبلغ سماحيته الساكنة النسبية 80.10 عند 20 درجة مئوية ،  بينما الهكسان العادي غير قطبي، وتبلغ سماحيته الساكنة النسبية 1.89 عند 20 درجة مئوية. [ 26 ] تُعدّ هذه المعلومات مهمة عند تصميم تقنيات الفصل، وإعداد العينات، والكروماتوغرافيا في الكيمياء التحليلية . 

مع ذلك، ينبغي التعامل مع هذه العلاقة بحذر. فعلى سبيل المثال، يبلغ معامل الذوبان النسبي (εr ) لثنائي كلورو الميثان 9.08 (عند 20 درجة مئوية)، وهو قليل الذوبان في الماء (13 غ/لتر أو 9.8 مل/لتر عند 20 درجة مئوية)؛ في حين أن معامل الذوبان النسبي (εr ) لرباعي هيدرو الفوران يساوي 7.52 عند 22 درجة مئوية، إلا أنه يمتزج بالماء تمامًا. في حالة رباعي هيدرو الفوران، يمكن لذرة الأكسجين أن تعمل كمستقبل للرابطة الهيدروجينية ؛ بينما لا يستطيع ثنائي كلورو الميثان تكوين روابط هيدروجينية مع الماء.     

يصبح هذا الأمر أكثر وضوحًا عند مقارنة قيم εr لحمض الأسيتيك (6.2528) [ 27 ] وقيمة يودو الإيثان (7.6177). [ 27 ] لا تُعدّ القيمة العددية الكبيرة لـ εr مفاجئة في الحالة الثانية، نظرًا لسهولة استقطاب ذرة اليود ؛ ومع ذلك، لا يعني هذا بالضرورة أنها قطبية أيضًا ( إذ تغلب الاستقطابية الإلكترونية على الاستقطابية الاتجاهية في هذه الحالة).

وسيط مضغوط

ومرة أخرى، على غرار السماحية المطلقة ، يمكن صياغة السماحية النسبية للمواد ذات الفقد على النحو التالي:

εر=εر′-أناσωε0،{\displaystyle \varepsilon _{\text{r}}=\varepsilon _{\text{r}}'-{\frac {i\sigma }{\omega \varepsilon _{0}}},}

من حيث "الموصلية العازلة" σ (بوحدة سيمنز/ متر )، والتي "تجمع جميع التأثيرات المبددة للمادة؛ وقد تمثل موصلية [كهربائية] فعلية ناتجة عن حاملات الشحنة المهاجرة، وقد تشير أيضًا إلى فقد الطاقة المرتبط بتشتت ε ′ [السماحية ذات القيمة الحقيقية]". [ 17 ] : 8 بتوسيع التردد الزاوي ω = 2πc / λ والثابت الكهربائي ε₀ = 1 / μ₀c² ، والذي يختزل إلى:

εر=εر′-أناσλκ،{\displaystyle \varepsilon _{\text{r}}=\varepsilon _{\text{r}}'-i\sigma \lambda \kappa ,}

حيث λ هو الطول الموجي، و c هي سرعة الضوء في الفراغ و κ = μ 0 c / 2π = 59.95849  Ω ≈ 60.0  Ω هو ثابت تم تقديمه حديثًا (وحداته أوم ، أو سيمنز مقلوب ، بحيث يظل σλκ = ε r بدون وحدة).

المعادن

ترتبط السماحية عادةً بالمواد العازلة ، ومع ذلك توصف المعادن بأنها ذات سماحية فعالة.ϵ~=ϵ+أناσω{\displaystyle {\tilde {\epsilon }}=\epsilon +i{\frac {\sigma }{\omega }}}، مع سماحية نسبية حقيقية تساوي واحدًا، (ϵر=1{\displaystyle \epsilon _{r}=1}). [ 28 ]

في نطاق الترددات العالية، الذي يمتد من ترددات الراديو إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة ومنطقة تيراهيرتز ، يكون تردد بلازما غاز الإلكترونات أكبر بكثير من تردد انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، لذا فإن معامل انكسار المعدن (n) يكاد يكون عددًا تخيليًا بحتًا. وفي نطاق الترددات المنخفضة، تكون السماحية النسبية الفعالة أيضًا عددًا تخيليًا بحتًا تقريبًا: إذ تمتلك قيمة تخيلية كبيرة جدًا مرتبطة بالموصلية، وقيمة حقيقية ضئيلة نسبيًا. [ 29 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هيكتور، إل جي؛ شولتز، إتش إل (1936). "ثابت العزل الكهربائي للهواء عند الترددات الراديوية". الفيزياء . 7 (4): 133-136 . Bibcode : 1936Physi...7..133H . doi : 10.1063/1.1745374 .
  2. 1 2 3 يونغ، إتش دي؛ فريدمان، آر إيه؛ لويس، إيه إل (2012). فيزياء الجامعة مع الفيزياء الحديثة ( الطبعة الثالثة عشرة). أديسون-ويسلي. ص 801. ISBN   978-0-321-69686-1.
  3. ↑ بورش، ينس؛ لين، إم. بروس؛ مارك، ريتشارد إي. (2001). دليل الاختبارات الفيزيائية للورق، المجلد 2 ( الطبعة الثانية). مطبعة سي آر سي. ص 348. ISBN   0203910494.
  4. ↑ غراي، بي آر؛ هيرست، بي جيه؛ لويس، إس إتش؛ ماير، آر جي (2009). تحليل وتصميم الدوائر المتكاملة التناظرية ( الطبعة الخامسة). وايلي. ص 40. ISBN   978-0-470-24599-6.
  5. ↑ هارمان، أ.ك.؛ نينوميا، س.؛ أداتشي، س. ( 1994). "الثوابت البصرية لبلورات الياقوت (α-Al₂O₃ ) الأحادية ". مجلة الفيزياء التطبيقية . 76 (12): 8032-8036 . Bibcode : 1994JAP....76.8032H . doi : 10.1063/1.357922 .
  6. ↑ "المواد العازلة - ثابت العزل الكهربائي" . تم الاطلاع عليه في 17 يونيو 2023 .
  7. ↑ "خصائص مطاط السيليكون" . مواد آزو.
  8. ↑ فوكس، مارك (2010). الخصائص البصرية للمواد الصلبة ( الطبعة الثانية). مطبعة جامعة أكسفورد . ص 283. ISBN   978-0199573370.
  9. ↑ "السيراميك الفاخر" (ملف PDF) . مواد توشيبا .
  10. ↑ "مخططات خصائص المواد" (ملف PDF) . صناعة السيراميك . 2013.
  11. ↑ آرتشر، جي جي؛ وانغ، ب. (1990). "ثابت العزل الكهربائي للماء وميول قانون ديباي-هوكيل الحدي". مجلة البيانات المرجعية الفيزيائية والكيميائية . 19 (2): 371-411 . doi : 10.1063/1.555853 .
  12. ↑ "السماحية" . schools.matter.org.uk . مؤرشف من الأصل بتاريخ 11-03-2016.
  13. ↑ بول، هـ. أ. (1986). "الاستقطاب العملاق في البوليمرات العالية". مجلة المواد الإلكترونية . 15 (4): 201. Bibcode : 1986JEMat..15..201P . doi : 10.1007/BF02659632 .
  14. ↑ غيليميه-فريتش، س.؛ ليبي، ت.؛ بولس، م.؛ دوراند، ب. (2006). " الخواص العازلة للسيراميك متعدد الأطوار القائم على CaCu3Ti4O12" ( ملف PDF) . مجلة الجمعية الأوروبية للسيراميك . 26 (7): 1245. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2005.01.055 .
  15. 1 2 3 مجلس معايير IEEE (1997). "تعريفات معيار IEEE للمصطلحات المتعلقة بانتشار الموجات الراديوية" . IEEE STD 211-1997 : 6. doi : 10.1109/IEEESTD.1997.8638365 (غير نشط في 1 يوليو 2025).{{cite journal}}: صيانة CS1: رقم التعريف الرقمي غير نشط اعتبارًا من يوليو 2025 ( رابط )
  16. 1 2 براسلافسكي، إس إي (2007). "مسرد المصطلحات المستخدمة في الكيمياء الضوئية (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2006)" (ملف PDF) . الكيمياء البحتة والتطبيقية . 79 (3): 293-465 . doi : 10.1351/pac200779030293 . S2CID 96601716 . 
  17. 1 2 لينفنغ تشين وفيجاي ك. فارادان (2004). إلكترونيات الميكروويف: القياس وتوصيف المواد . جون وايلي وأولاده. ص 8، معادلة (1.15). doi : 10.1002/0470020466 . ISBN  978-0-470-84492-2.
  18. ↑ كينغ، رونولد دبليو بي (1963). النظرية الكهرومغناطيسية الأساسية . نيويورك: دوفر. ص 139. 
  19. 1 2 جون ديفيد جاكسون (1998). الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ( الطبعة الثالثة). نيويورك: وايلي. ص 154. ISBN   978-0-471-30932-1.
  20. ↑ مورو، جيرارد أ. (2006). "البصريات في النظام النسبي". مراجعات الفيزياء الحديثة . 78 (2): 309. Bibcode : 2006RvMP...78..309M . doi : 10.1103/RevModPhys.78.309 .
  21. ↑ إيفانز، س. (1965). "الخواص العازلة للجليد والثلج - مراجعة" . مجلة علم الجليد . 5 (42): 773-792 . doi : 10.3189/S0022143000018840 . S2CID 227325642 . 
  22. ↑ فوجيتا، شوجي؛ ماتسوكا، تاكيشي؛ إيشيدا، توشيهيرو؛ ماتسوكا، كينيتشي؛ ماي، شينجي، ملخص السماحية العازلة المعقدة للجليد في نطاق الميغاهرتز وتطبيقاتها في سبر الرادار للصفائح الجليدية القطبية (PDF)
  23. ↑ كويك، تشي ياو. "قياس خصائص المواد العازلة" (ملف PDF) . R&S.
  24. ↑ كوستا، ف.؛ أمابيل، س.؛ مونورتشيو، أ.؛ براتي، إ. (2011). "تقنية قياس سماحية العازل الكهربائي للموجات الموجهة باستخدام مرشحات FSS الرنانة" . رسائل IEEE للمكونات اللاسلكية والميكروويف . 21 (5): 273. Bibcode : 2011IMWCL..21..273C . doi : 10.1109/LMWC.2011.2122303 . S2CID 34515302 . 
  25. ↑ 5× 10⁻⁶ /°C، 1.4×10⁻⁶ / %RH و100×10⁻⁶ / atm على التوالي. انظر: واجهة متكاملة منخفضة التكلفة لأجهزة الاستشعار السعوية ، علي حيدري، 2010، أطروحة، ص 12. ISBN 9789461130136.
  26. ↑ ليد، د. ر.، محرر. (2005). دليل سي آر سي للكيمياء والفيزياء (الطبعة 86 ). بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN  0-8493-0486-5.
  27. 1 2 AE. Frisch, MJ Frish, FR Clemente, GW Trucks. Gaussian 09 User's Reference. Gaussian, Inc.: Walligford, CT, 2009.- ص 257.
  28. ↑ لورتيوز، جيه-إم؛ وآخرون (2005). البلورات الضوئية: نحو أجهزة ضوئية نانوية . سبرينغر. ص 121-122 . ISBN   978-3-540-24431-8.المعادلة  (4.6)، الصفحة  121
  29. ↑ لورتيوز (2005)، المعادلات (4.8)–(4.9)، الصفحة 122