Permittivity   유전율

1. 유전율 (Permittivity) 이란?

  ㅇ 유전율 주요 의미 3가지
     - ①  물질의 전기 분극 용이성
        . 외부 전계에 의한 전하의 전기분극으로 전기쌍극자 형성이 어느 정도 일어나는가의 척도

     - ②  물질이 전하를 저장할 수 있는 능력 척도
        . 외부 전계에 의한 전기분극으로 전하가 축적되는 효과에 의함

     - ③  유전체 또는 부도체의 성질을 나타내는 값
        . 자유전하가 거의 없고 속박전하 만 존재함

  ㅇ 유전율로 특징짓는 유전 물질의 주요 성질 3가지
     - 정전용량 증가 (전하 저장 능력)
     - 절연 특성 (낮은 전도성)
     - 전자기파의 매질 손실 (유전 손실)

  ※ 유전율이 클수록,
     - 더 많은 전하를 저장할 수 있음 (대용량)
     - 전자기파의 매질 손실이 작음 (저 손실)
     - 동일 주파수에서 전자회로를 더 작게 만들 수 있음 (경량화)
     - 전기장 하에 전하의 상호작용 약화됨 (전기 신호의 전달이 느려짐)

  ※ 유전율은 주파수 의존적으로,
     - 높은 주파수일수록 그 값이 작아지는 경향


2. 유전율 = 물질의 전하 저장 능력 = 커패시터 내부 매질 특성

  ※ 패러데이가 1837년 두 극판 사이에 유전체를 채워 이에따라 나타나는 효과를 탐구

  ㅇ 물질이 전기분극을 일으키면, 그 물질내에 전하가 축적되는 효과를 갖음

  ㅇ 커패시터의 두 극판 사이에, 유전체로 가득 채웠을 때의 정전용량과 아무 것도
     넣지않은 때인 진공 상태의 정전용량과의 比로 정의하고 있음.
      
     - (C: 정전용량,ε: 매질유전율,εｒ: 비유전율,εo: 진공유전율,A: 극판 면적,
        d: 극판 간격,Q: 축적전하량)
 
     - 유전율이 높으면 많은 전하를 끌어 모을 수 있으므로, 정전용량이 커짐

  ㅇ 축적되는 전하량 크기(정전용량)(C)는, 판의 면적(A)과 비례, 극판 간격(d)과 반비례
     -   C = ε(A/d)
        . 이 때의 비례상수가 유전율


3. 유전율, 비 유전율(유전 상수)

  ※ 우리가 흔히 유전율이라고할 때, 사실은 비 유전율(εｒ)을 의미하며,
     - 매질 유전율(ε)과 진공 유전율(εo)의 比를 나타냄
     - 진공을 1로 놓고 각 유전체를 비교하는 상대적인 수치

  ㅇ 매질 유전율 (Permittivity), 절대 유전율 (Absolute Permittivity)  :  ε
     - 매질의 유전율 => ε = ε。εr = ε。(1 + χ)
        . 진공 유전율(ε₀)과 물질 고유의 유전율(εr)의 곱으로 표현됨

  ㅇ 진공 유전율 (Vacuum Permittivity)  :  ε。
     - 자유공간(진공상태)의 유전율 
        . ε。≒ 8.854x10-12 또는 10-9/(36π) [F/m] 
     - 진공상태에서 전속밀도와 전계와의 比 
        . ε。= D/E
     - 한편,  빛 속도,전계,자계 관계
        . ε。= 1/c2μ。 또는  c = 1/√(ε。μ。)

     - 유전율 단위 (자유공간) (SI 단위계)
        . [F/m] (Farad per meter), [C/(V m)], [C2/(N m2)]

  ㅇ 비 유전율,상대 유전율 (Relative Permittivity), 유전상수 (Specific Dielectric Constant)  : εr
     - 유전체 유전율(ε)과 진공 유전율(ε。)의 比
        .  εr  =  ε/ ε。 =  Q / Q 。 =  C / C 。
           .. 물질(유전체 또는 절연체 등)의 유전율 ε 및 자유공간의 유전율 ε。이라할 때
           .. 이들의 比 ε/ε。를 비유전율(εr)이라 함
     - 또는, 
        . 상대 유전율(비 유전율) = (물질 전속밀도) / (진공 전속밀도)
           .. 특정 물질이 진공에 비해 전기장을 얼마나 더 잘 저장하는지를 나타내는 무차원 값
     - 따라서, 비유전율은 단위가 없는 비율을 나타내는 량
        . 유전체의 종류에 의해 정해지는 량(量)으로 그 값은 항상 1 보다 큼
     - 비유전율 수치 例)
        . 대기 : 1.000335  (1 보다 약간 크지만, 수증기의 함유량에 크게 좌우)
        . 폴리스틸렌(Polystrene) : 2.5
        . 종이(Paper) : 4
        . 마이카(Mica) : 3 ~ 7
        . 절연 유리 : 5 ~ 10
        . 반도체 Si(실리콘) : 12
        . 물 : 80
        . 세라믹 : 6 ~ 1000
        . 강유전체 : 1014 이상
        . 도체이면, 비유전율이 1에 가까움
     - 결국, 유전율이 높은 물질일수록, 전기장(전계)을 감소시킴
        . 유전물질에서는, 자유공간(εr=1) 보다
          정전용량(Electrostatic Capacitance,전하저장능력)이 증가됨


4. 복소 유전율 (Complex Permittivity)  :  εc = ε'- jε”

  ㅇ 유전율은 유전 물질의 특성으로 주파수 및 온도 등에도 의존적임
     - 즉,  ε = ε(ω,T,...) 

  ㅇ 따라서, 유전율은 통상적으로 복소수로 정의됨
     -  εc = ε'- jε”= ε。εr = ε。(εr'- jεr”)