Xem mã nguồn của Độ điện thẩm

[[Tập tin:Diel.png|thumb|Một môi trường điện môi cho thấy hiện tượng các điện tích định hướng tạo nên sự phân cực. Một môi trường như thế có thể có tỉ lệ điện thông với điện tích thấp hơn (độ điện thẩm cao hơn) chân không.]]
{{electromagnetism|Electrostatics}}

Trong [[điện từ học]], '''độ điện thẩm tuyệt đối''', thường gọi là '''độ điện thẩm''' ({{lang-en|permittivity}}) và ký hiệu bằng [[Bảng chữ cái Hy Lạp|chữ cái Hy Lạp]] {{mvar|ε}} (epsilon), là một đại lượng thể hiện [[tính phân cực]] điện của một [[điện môi]]. Dưới tác dụng của điện trường, một vật liệu với độ điện thẩm cao phân cực nhiều hơn vật liệu có độ điện thẩm thấp, qua đó tích trữ nhiều năng lượng hơn. Trong [[điện tĩnh học]], độ điện thẩm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định [[điện dung]] của một tụ điện.

Trong trường hợp đơn giản nhất, [[trường dịch chuyển điện]] {{math|'''D'''}} gây ra bởi một [[điện trường]] {{math|'''E'''}} là

:<math>\mathbf{D} = \varepsilon \mathbf{E}.</math>

Tổng quát hơn, độ điện thẩm là một [[hàm trạng thái]] nhiệt động lực học.<ref>{{chú thích sách|title=Electrodynamics of continuous media|last1=Landau|first1=L. D.|last2=Lifshitz|first2=E. M.|last3=Pitaevskii|first3=L. P.|date=2009|publisher=Elsevier Butterworth-Heinemann|isbn=978-0-7506-2634-7|oclc=756385298}}</ref> Nó có thể phụ thuộc vào [[Tán sắc|tần số]], [[Quang học phi tuyến|độ lớn]], và [[Dị hướng|hướng]] của trường được áp dụng. [[Hệ đo lường quốc tế|Đơn vị SI]] cho độ điển thẩm là [[farad]] trên [[mét]] (F/m).

Độ điện thẩm còn hay được biểu diễn bằng [[độ điện thẩm tương đối]] {{math|''ε''<sub>r</sub>}}, tức là tỉ số của độ điện thẩm tuyệt đối {{mvar|ε}} và [[độ điện thẩm chân không]] {{math|''ε''<sub>0</sub>}}

:<math>\kappa = \varepsilon_\mathrm{r} = \frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}</math>.

Đại lượng không thứ nguyên này cũng hay được gọi là ''độ điện thẩm''. Một cụm từ khác để chỉ cả độ điện thẩm tuyệt đối và tương đối là ''hằng số điện môi'', nhưng ngày nay ít được dùng trong cả vật lý, kỹ thuật<ref name="IEEE1997">{{chú thích web |author=[[IEEE]] Standards Board|url=http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=5697|title=IEEE Standard Definitions of Terms for Radio Wave Propagation|year=1997 |page=6}}</ref> và hóa học.<ref name="IUPAC">{{chú thích tạp chí |last=Braslavsky |first=S.E.|url=http://iupac.org/publications/pac/2007/pdf/7903x0293.pdf |title=Glossary of terms used in photochemistry (IUPAC recommendations 2006)|journal=Pure and Applied Chemistry|volume=79 |issue=3|year=2007 |pages=293–465|doi=10.1351/pac200779030293|s2cid=96601716}}</ref>

Theo định nghĩa, chân không có độ điện thẩm tương đối bằng đúng 1, còn không khí ở [[đktc]] có độ điện thẩm tương đối {{math|1=''κ''<sub>kk</sub> ≈ 1.0006.}}

Độ điện thẩm tương đối liên hệ với [[độ cảm điện]] ({{mvar|χ}}) theo công thức:

:<math>\chi = \kappa - 1</math>

cũng có thể viết thành
:<math>\varepsilon = \varepsilon_\mathrm{r} \varepsilon_0 = (1+\chi)\varepsilon_0 </math>

== Đơn vị ==

Đơn vị chuẩn [[SI]] cho độ điện thẩm là [[farad]] trên [[mét]] (F/m hay  F·m<sup>−1</sup>).<ref>{{SIbrochure8th}}, p. 119</ref>

:<math>\frac{\text{F}}{\text{m}} = \frac{\text{C}}{\text{V} {\cdot} \text{m}} = \frac{\text{C}^2}{\text{N} {\cdot} \text{m}^2} = \frac{\text{C}^2 {\cdot} \text{s}^2}{\text{kg} {\cdot} \text{m}^3}</math>

== Giải thích ==

Trong [[điện từ học]], [[trường dịch chuyển điện]] {{math|'''D'''}} biểu diễn sự phân bố điện tích trong một môi trường khi có mặt điện trường {{math|'''E'''}}. Phân bố này bao gồm sự dịch chuyển điện tích và tái định hướng [[lưỡng cực]] điện. Mối quan hệ giữa trường dịch chuyển điện với độ điện thẩm trong trường hợp đơn giản nhất, tức vật liệu ''tuyến tính, đồng nhất, [[đẳng hướng]]'' và ''phản hồi "tức thời"'' đến thay đổi trong điện trường, là:

:<math>\mathbf{D}=\varepsilon \mathbf{E}</math>

trong đó độ điện thẩm {{mvar|ε}} là một đại lượng [[scalar (vật lý)|vô hướng]]. Nếu môi trường [[dị hướng]], độ điện thẩm là một [[tensor]] hạng hai.

Nhìn chung, độ điện thẩm không phải là một hằng số, và có thể thay đổi tùy thuộc vào vị trí trong môi trường, tần số của điện trường, nhiệt độ, độ ẩm, và những yếu tố khác. Trong một [[Quang học phi tuyến|môi trường phi tuyến]], độ điện thẩm có thể phụ thuộc vào cường độ của điện trường. Độ điện thẩm dưới dạng hàm của tần số có thể có giá trị là số thực hoặc [[số phức]].

Trong hệ SI, độ điện thẩm có đơn vị là [[farad]] trên mét (F/m hay A<sup>2</sup>·s<sup>4</sup>·kg<sup>−1</sup>·m<sup>−3</sup>). Trường dịch chuyển {{math|'''D'''}} được đo bằng [[coulomb]] trên [[mét vuông]] (C/m²), còn cường độ điện trường {{math|'''E'''}} có đơn vị [[volt]] trên mét (V/m). {{math|'''D'''}} và {{math|'''E'''}} mô tả sự tương tác giữa các vật thể mang điện, với {{math|'''D'''}} liên quan đến ''mật độ điện tích'' của những tương tác đó, còn {{math|'''E'''}} liên quan đến ''lực'' hay ''hiệu điện thế''.

== Độ điện thẩm chân không ==

{{main|Độ điện thẩm chân không}}

Độ điện thẩm chân không {{math|''ε''<sub>0</sub>}} (còn gọi là '''hằng số điện''') là tỉ số {{math|{{sfrac|'''D'''|'''E'''}}}} trong [[chân không]]. Nó cũng liên quan đến [[hằng số Coulomb]] {{math|''k''<sub>e</sub>.}}

:<math>k_\text{e} = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0}</math>

Giá trị của nó là{{physconst|eps0|ref=only}}

:<math>\varepsilon_0 \ \stackrel{\mathrm{def}}{=}\  \frac{1}{c_0^2\mu_0} = \frac{1}{35\,950\,207\,149.472\,7056\pi}\text{ F/m} \approx 8.854\,187\,8176\ldots\times 10^{-12}\text{ F/m } </math>

trong đó
* {{math|''c''<sub>0</sub>}} là [[tốc độ ánh sáng]] trong chân không,{{efn|Các tổ chức tiêu chuẩn hiện nay như [[NIST]] và [[BIPM]] dùng {{math|''c''<sub>0</sub>}}, thay vì {{mvar|c}}, để ký hiệu tốc độ ánh sáng trong chân không theo như [[ISO 31]]. Trong Khuyến cáo 1983, ký hiệu {{mvar|c}} được dùng cho mục đích này.<ref>[http://physics.nist.gov/Pubs/SP330/sp330.pdf NIST ''Special Publication 330'', Appendix 2, p. 45 ] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160603215953/http://physics.nist.gov/Pubs/SP330/sp330.pdf |date=2016-06-03 }}.</ref>}}
* {{math|''µ''<sub>0</sub>}} là [[độ từ thẩm chân không]].

Hằng số {{math|''μ''<sub>0</sub>}} vốn được định nghĩa với giá trị chính xác trong hệ SI trước năm 2019. Sau [[Định nghĩa lại đơn vị đo lường quốc tế cơ bản 2019|lần tái định nghĩa năm 2019]], với sự thay đổi của định nghĩa đơn vị [[ampere]], giá trị của {{math|''μ''<sub>0</sub>}} không còn là một số chính xác mà phải được xác định bằng thực nghiệm.<ref>{{citation |title=SI Brochure: The International System of Units (SI) |author=International Bureau of Weights and Measures |author-link=New SI |date = ngày 20 tháng 5 năm 2019 |edition=9th |isbn=978-92-822-2272-0 |url=https://www.bipm.org/utils/common/pdf/si-brochure/SI-Brochure-9.pdf |url-status=live |page=132 |pages=}}</ref>

== Độ điện thẩm tương đối ==
{{main|Độ điện thẩm tương đối}}

Độ điện thẩm tuyến tính của một vật liệu đồng chất thường được tính so với độ điện thẩm chân không, gọi là độ điện thẩm tương đối {{math|''ε''<sub>r</sub>}} (còn gọi là [[hằng số điện môi]], tuy nhiên thuật ngữ này không còn được sử dụng). Trong một vật liệu dị hướng, độ điện thẩm tương đối có thể là một tenxơ, gây ra hiện tượng [[lưỡng chiết]]. Độ điện thẩm tuyệt đối có thể tính bằng cách nhân độ điện thẩm tương đối với {{math|''ε''<sub>0</sub>}}:

:<math>\varepsilon = \varepsilon_\mathrm{r} \varepsilon_0 = (1+\chi)\varepsilon_0,</math>

trong đó {{mvar|χ}} (hoặc {{math|''χ''<sub>e</sub>}}) là độ cảm điện của vật liệu.

Độ cảm điện là hằng số tỷ lệ (có thể là [[tenxơ]]) liên hệ giữa [[điện trường]] {{math|'''E'''}} với [[Phân cực (tĩnh điện)|mật độ phân cực]] [[điện môi]] {{math|'''P'''}} sao cho

:<math>\mathbf{P} = \varepsilon_0\chi\mathbf{E},</math>

trong đó {{math|''ε''<sub>0</sub>}} là độ điện thẩm chân không.

Độ cảm điện của một môi trường và độ điện thẩm tương đối {{math|''ε''<sub>r</sub>}} có quan hệ:

:<math>\chi = \varepsilon_\mathrm{r} - 1.</math>

Đối với chân không thì {{math|1=''χ'' = 0.}}

Độ cảm điện cũng liên quan đến [[tính phân cực]] của các hạt riêng lẻ trong môi trường theo [[liên hệ Clausius–Mossotti]].

[[Dịch chuyển điện]] {{math|'''D'''}} cũng liên quan đến mật độ phân cực {{math|'''P'''}} theo công thức

:<math>\mathbf{D} = \varepsilon_0\mathbf{E} + \mathbf{P} = \varepsilon_0 (1+\chi) \mathbf{E} = \varepsilon_\mathrm{r} \varepsilon_0 \mathbf{E}.</math>

Độ điện thẩm {{mvar|ε}} và [[độ từ thẩm]] {{mvar|µ}} của một môi trường cùng nhau xác định [[vận tốc pha]] {{math|1=''v'' = {{sfrac|''c''|''n''}}}} của [[bức xạ điện từ]] đi qua môi trường đó:

:<math>v^2 = \frac{1}{\varepsilon \mu}.</math>

== Ứng dụng ==

=== Xác định điện dung ===
Điện dung của một tụ điện phụ thuộc vào thiết kế và chất liệu của nó, chứ không thay đổi khi ta nạp và xả điện. Công thức tính điện dung của một [[Tụ điện#Tụ điện bản song song|tụ điện bản song song]] là

:<math>C = \varepsilon \ \frac{A}{d}</math>

trong đó {{mvar|A}} là diện tích của một bản, {{mvar|d}} là khoảng cách giữa hai bản tụ, và {{mvar|ε}} là độ điện thẩm của môi trường phân cách hai bản tụ. Công thức trên cũng có thể viết theo độ điện thẩm tương đối {{mvar|κ}} như sau

:<math>C = \kappa \ \varepsilon_0 \frac{A}{d}</math>

=== Định luật Gauss ===
[[Định luật Gauss]] liên hệ giữa độ điện thẩm với điện thông (và rộng hơn là điện trường). Cụ thể, định luật Gauss phát biểu rằng với một [[bề mặt Gauss]] {{mvar|S}} đóng:

:<math>\Phi_E = \frac{Q_\text{enc}}{\varepsilon_0} = \oint_S \mathbf{E} \cdot \mathrm{d} \mathbf{A}</math>

trong đó {{math|Φ<sub>''E''</sub>}} là điện thông đi qua bề mặt, {{math|''Q''<sub>enc</sub>}} là điện tích bên trong bề mặt Gauss đó, {{math|'''E'''}} là vectơ điện trường tại một điểm trên bề mặt, và {{math|d '''A'''}} là vectơ diện tích vi phân trên bề mặt Gauss đang xét.

Nếu bề mặt Guass này bao quanh điện tích đối xứng và đều, công thức trên có thể được đơn giản hóa thành:

:<math>EA \cos(\theta) = \frac{Q_\text{enc}}{\varepsilon_0}</math>

trong đó {{mvar|θ}} là góc giữa điện trường và pháp tuyến với {{mvar|S}}.

Nếu tất cả đường sức điện tạo với bề mặt một góc 90° thì công thức trên trở thành

:<math>E = \frac{Q_\text{enc}}{\varepsilon_0 A}</math>

Vì diện tích về mặt của hình cầu là {{math|4π''r''<sup>2</sup>}}, điện trường tại điểm cách điện tích đều hình cầu đó một khoảng {{mvar|r}} là

:<math>E = \frac{Q}{\varepsilon_0 A} = \frac{Q}{\varepsilon_0 \left(4 \pi r^2\right)} = \frac{Q}{4 \pi \varepsilon_0 r^2} = \frac{kQ}{r^2}</math>

trong đó {{mvar|k}} là [[hằng số Coulomb]]. Công thức này có thể được áp dụng cho điện trường gây ra bởi một điện tích điểm, ngoài một khối cầu hoặc mặt cầu dẫn điện, ngoài một quả cầu tích điện đều, hoa75c giữa hai bản của một tụ điện hình cầu.

== Đo đạc ==
{{main|Phổ học điện môi}}

Độ điện thẩm tương đối của một vật liệu có thể được tính bằng nhiều pháp đo tĩnh điện. Độ điện thẩm phức được tính qua nhiều dải tần số bằng cách sử dụng [[phổ học điện môi]], đi gần 21 bậc độ lớn từ 10<sup>−6</sup> đến 10<sup>15</sup> [[hertz]]. Ngoài ra, sử dụng [[cryostat]] và lò nung, tính chất điện môi của vật liệu có thể được đo qua nhiều khoảng nhiệt độ. Để nghiên cứu hệ thống với những trường kích thích đa dạng như vậy, một số thí nghiệm được sử dụng, mỗi cái cho một khoảng tần số nhất định.

== Xem thêm ==
* [[Độ từ thẩm]]
* [[Lý thuyết phiếm hàm mật độ]]
* [[Chắn điện trường]]
* [[Liên hệ Green–Kubo]]
* [[Hàm phản hồi tuyến tính]]

== Ghi chú ==
{{notelist}}

== Tham khảo ==
{{tham khảo}}

== Đọc thêm ==
* C. J. F. Bottcher, O. C. von Belle & Paul Bordewijk (1973) ''Theory of Electric Polarization: Dielectric Polarization'', volume 1, (1978) volume 2, Elsevier {{ISBN|0-444-41579-3}}.
* [[Arthur R. von Hippel]] (1954) ''Dielectrics and Waves''  {{ISBN|0-89006-803-8}}
* Arthur von Hippel editor (1966) ''Dielectric Materials and Applications: papers by 22 contributors''  {{ISBN|0-89006-805-4}}.

== Liên kết ngoài ==
* [http://lightandmatter.com/html_books/0sn/ch11/ch11.html Electromagnetism] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110603233123/http://www.lightandmatter.com/html_books/0sn/ch11/ch11.html |date=2011-06-03 }}, một chương từ sách học online
* [http://keith-snook.info/capacitor-soakage.html What's all this trapped charge stuff . . .], A different approach to some capacitor problems
* [http://falsecolour.com/aw/eps_plots/eps_plots.pdf Complex Permittivity and Refractive Index for Metals] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160304032408/http://falsecolour.com/aw/eps_plots/eps_plots.pdf |date=2016-03-04 }}
* [http://www.drudelorentz.com DrudeLorentz.com] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210730093310/http://www.drudelorentz.com/ |date=2021-07-30 }} Cơ sở dữ liệu tham số và đồ thị của mô hình điện thẩm Drude-Lorentz của một số kim loại thường gặp

[[Thể loại:Vật lý vật chất ngưng tụ]]
[[Thể loại:Điện trường và từ trường trong vật chất]]
[[Thể loại:Đại lượng vật lý]]