介電損耗(dielectric loss)
理想電容器是一具完美的電荷彈簧:在交流週期的一半把能量壓進去,另一半全部拿回來,毫無損失。真實介電質則是略帶黏滯的彈簧——每個週期都有一點能量變成熱,而非被歸還。介電損耗就是那被浪費掉的比例,也是電容器或絕緣體在交流電場下發熱的原因。
標準的量度是 tan delta,即損耗正切(又稱耗散因數)。在理想電容器中,交流電流恰好領先電壓 90 度、沒有功率被耗散;真實電容器則差了一個小角度 delta,而 tan delta 就是那個滯後角的正切。變成熱的功率正比於 omega 乘 C 乘 V^2 乘 tan delta,其中 omega 是角頻率、C 是電容、V 是電壓——所以損耗隨頻率增加、並隨電壓平方增加。從物理上看,損耗來自任何「極化無法完美跟上電場」的過程:離子導電造成的漏電、轉動偶極子的摩擦式弛豫、鐵電疇壁的移動,以及常包覆在晶界上那層薄玻璃相中的耗散。良好的低損耗陶瓷可達 tan delta 約 10^-4(萬分之一);高介電率的鈦酸鋇介電質則接近 10^-2。
損耗之所以重要有三個理由。它浪費能量並使零件發熱,而在諧振器中它決定品質因數 Q,Q 就是 1/tan delta——微波濾波器或天線要求 Q 愈高愈好,也就是損耗愈低愈好。更糟的是,發熱會自我強化:較熱的介電質通常損耗更大,於是更熱,這種失控最終可能以熱崩潰收場。一個誠實的提醒:損耗從來不是一個固定的材料數值——它隨溫度與頻率攀升,在鐵電相變附近(極化變得遲鈍處)會激增,而在真實的多晶陶瓷中往往由晶界玻璃相、而非晶粒本體所主導。
基地台用的微波介電諧振器以其品質因數見長:當 tan delta 約 1 乘 10^-4,其 Q 約為 10000,於是它振盪得很銳、能乾淨地選出單一頻率。若把同樣的工作交給 tan delta 為 10^-2 的高介電高損耗陶瓷,Q 便崩到 100——這個濾波器就沒用了。
低損耗與高介電率通常互相拉扯:epsilon_r 最大的陶瓷往往最會漏,所以元件設計是一場取捨。
tan delta 是一個比值、不是電阻,而且會隨量測條件改變。一個標示的損耗數字若沒有附上頻率與溫度就毫無意義;同一個電容器可能在 1 千赫看似無損、在 1 吉赫卻很會漏。