介電常數(dielectric constant)
拿兩片固定間距的金屬板接上電池:它們會儲存一定的電荷。現在在不改變其他任何條件的情況下,把一塊合適的材料——介電質——滑進縫隙中,這兩片板子竟然能在相同電壓下儲存多得多的電荷。介電常數就是說明「多多少」的那個數字,也是電容材料最重要的單一數值。
正式地說,介電常數又稱相對介電率、寫作 epsilon_r,是「材料填滿縫隙時的電容」對「同一個空的(真空)縫隙的電容」之比:epsilon_r = C_material / C_vacuum。真空定義為恰好 1,乾空氣約 1.0006,像氧化鋁這種普通絕緣陶瓷約在 9 到 10,而填進電容器的鐵電鈦酸鹽則可達 1000 至一萬以上。多出來的電荷源自材料自身的電荷在電場中微微移位——也就是它的極化(polarization)——這會把更多電荷拉到板子上加以平衡。在主控關係式 D = epsilon_0 epsilon_r E 中,電位移 D(單位面積的電荷)是外加電場 E 被 epsilon_r 放大後的結果,其中 epsilon_0 是真空介電率。
高介電常數正是讓「整整一微法拉」的電容藏進比米粒還小的晶片裡的關鍵,所以 epsilon_r 高達數千的鈦酸鋇系陶瓷是多層陶瓷電容器(MLCC)的核心。但有個關鍵的誠實:在這些高值鐵電陶瓷中,epsilon_r 根本稱不上「常數」——它會隨溫度擺動數十個百分點、隨時間老化下漂、並在直流偏壓下下降。這正是為什麼電容廠把陶瓷分成第一類(epsilon_r 低,約 20 到 100,但極穩定,就是要求數值不能跑動之處所用的 C0G/NP0 等級)與第二類(epsilon_r 高、單位體積電容大得多,但與溫度和電壓有關,就是 X7R 與 Y5V 等級)。你是用不穩定性換來的電容。
在一個幾何固定的電容器裡,把介電質從空氣(epsilon_r 約 1)換成 X7R 鈦酸鋇陶瓷(epsilon_r 約 2500),電容在尺寸不變下會提高約 2500 倍。正是這單一倍率,讓填滿全世界電容器的是陶瓷,而不是空氣或塑膠。
介電常數會直接乘上電容;epsilon_r 愈大,就能用愈小的零件達到同樣的儲電量。
對高介電陶瓷別把「常數」二字照字面理解。C0G/NP0 等級名副其實(數值幾乎不動),但 X7R 或 Y5V 的介電常數其實是溫度、頻率、外加電壓與時間的強函數。