介電常數
/ dy-eh-LEK-trik /
介電常數(dielectric constant)量的是,一種絕緣材料相較於真空,能多好地儲存電能。把這種材料(介電質)的一片板子塞進電容器的兩極板之間,電容器在相同電壓下就能存下更多電荷。介電常數寫作 epsilon_r 或 k,就是它改善的倍數:數值 5 代表這材料儲存的電荷是真空間隙的五倍。它是純數字、沒有單位,永遠大於等於 1(真空恰為 1)。
機制是極化(polarization)。介電質沒有自由電子可導電,但它的電荷在電場下仍能稍微位移:電子雲傾斜、離子挪動、永久分子偶極旋轉以順著電場排列。這一切內部電荷的挪動製造出一個與外加電場相反、部分抵消它的內部電場,於是要達到相同電壓需要更多外部電荷,這正是「儲存更多電荷」的意思。電容為 C = epsilon_r times epsilon_0 times A / d,其中 epsilon_0 是真空電容率(8.85 times 10^-12 法拉每公尺),A 是板面積,d 是間隙。電容率 epsilon = epsilon_r times epsilon_0,是同一概念以帶單位的方式表達。
數值範圍很廣,並牽動實際的材料選擇。多數高分子與玻璃約在 2 到 10;水異常地高、接近 80,因為它的分子是強力旋轉偶極;而像鈦酸鋇這類鐵電陶瓷高達數千,這正是為什麼它們能把巨大的電容塞進小小的多層晶片電容器。兩個誠實的提醒:高介電常數在電容器中是寶,但在高速數位佈線中往往不受歡迎,那裡需要低 k 絕緣體以保持訊號快速;而且介電常數通常隨頻率上升而下降,因為較慢的極化機制(離子與偶極運動)跟不上快速反轉的電場。
拿一個真空間隙的電容器,塞入一種 epsilon_r = 3 的塑膠。同樣電壓下它現在存下三倍電荷,所以電容變三倍。把塑膠換成 epsilon_r 接近 2000 的鈦酸鋇陶瓷,電容躍升約 2000 倍,這正是為什麼一片指甲大小的多層陶瓷電容器,能存下和大得多的空氣間隙電容器一樣多的電荷。
材料內部的極化,讓電容器儲存的電荷是真空的 epsilon_r 倍。
高介電常數並非自動就「比較好」。電容器想要它高,但高速電路板想要它低(低 k),好讓訊號跑得快;而偶極遲鈍的高 k 材料也可能損耗大。合適的數值完全取決於用途。