Диэлектри́ческая проница́емость, величина $\varepsilon$, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрического поля напряжённостью $\boldsymbol{E}$. Диэлектрическая проницаемость входит в закон Кулона как величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление взаимодействия происходит вследствие экранирования свободных зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды. Связанные заряды возникают вследствие микроскопического пространственного перераспределения зарядов (электронов, ионов) в электрически нейтральной в целом среде. Связь между векторами поляризации $\boldsymbol{P}$, напряжённости электрического поля $\boldsymbol{E}$ и электрической индукции $\boldsymbol{D}$ в изотропной среде в системе единиц СИ имеет вид:

$\boldsymbol{D}= \varepsilon_{0}\boldsymbol{E}+\boldsymbol{P}= \varepsilon_{0} \varepsilon\boldsymbol{E},$где $\varepsilon_{0}$ – электрическая постоянная. Величина диэлектрической проницаемости $\varepsilon$ зависит от структуры и химического состава вещества, а также от давления, температуры и других внешних условий (см. таблицу). Для газов её величина близка к 1, для жидкостей и твёрдых тел изменяется от нескольких единиц до нескольких десятков, у сегнетоэлектриков может достигать $10^4$. Такой разброс значений $\varepsilon$ обусловлен различными механизмами поляризации, имеющими место в разных диэлектриках.

Диэлектрическая проницаемость некоторых диэлектриков

Классическая микроскопическая теория приводит к приближённому выражению для диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков:

$\varepsilon =1+ \frac{ \sum\limits_{i}\text{n}_{i} \text{a}_{i}}{ \sum\limits_{i} \text{n}_{i} \text{a}_{i}\beta_{i}},$где $\text{n}_{i}$ – концентрация ${i}$-го сорта атомов, ионов или молекул, $\text{α}_{i}$ – их поляризуемость, $\beta_{i}$ – так называемый фактор внутреннего поля, обусловленный особенностями структуры кристалла или вещества. Для большинства диэлектриков с диэлектрической проницаемостью, лежащей в пределах 2–8, $\beta = \frac{1}{3}$. Обычно диэлектрическая проницаемость практически не зависит от величины приложенного электрического поля вплоть до электрического пробоя диэлектрика. Высокие значения $\varepsilon$ некоторых оксидов металлов и других соединений обусловлены особенностями их структуры, допускающей под действием поля $\boldsymbol{E}$ коллективное смещение подрешёток положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях и образование значительных связанных зарядов на границе кристалла.

Процесс поляризации диэлектрика при наложении электрического поля развивается не мгновенно, а в течение некоторого времени $\tau$ (времени релаксации). Если поле $\boldsymbol{E}$ изменяется во времени $\text{t}$ по гармоническому закону с частотой $\omega$, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним и между колебаниями $\boldsymbol{P}$ и $\boldsymbol{E}$ появляется разность фаз $\delta$. При описании колебаний $\boldsymbol{P}$ и $\boldsymbol{E}$ методом комплексных амплитуд диэлектрическая проницаемость представляют комплексной величиной: $\varepsilon = \varepsilon' +i \varepsilon''$, причём $\varepsilon'$ и $\varepsilon''$ зависят от $\omega$ и $\tau$, а отношение $ε''/ε'= \mathrm{tg}δ$ определяет диэлектрические потери в среде. Сдвиг фаз $\delta$ зависит от соотношения $\tau$ и периода поля $\text{T}=\text2{\pi}/{\omega}$. При $\tau ≪\boldsymbol{T}$ ($\omega≪1/ \tau$, низкие частоты) направление $\boldsymbol{P}$ изменяется практически одновременно с $\boldsymbol{E}$, то есть $\delta →0$ (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение $\varepsilon'$ обозначают $\varepsilon_{(0)}$. При $\tau≫\boldsymbol{T}$ (высокие частоты) поляризация не успевает за изменением $\boldsymbol{E}$, $\delta→ \pi$ и $\varepsilon'$ в этом случае обозначают $\varepsilon_{(∞)}$ (механизм поляризации «отключён»). Очевидно, что $\varepsilon_{(0)}> \varepsilon_{(∞)}$, и в переменных полях диэлектрическая проницаемость оказывается функцией $\omega$. Вблизи $\omega=1/ \tau$ происходит изменение $\varepsilon'$ от $\varepsilon_{(0)}$ до $\varepsilon_{(∞)}$ (область дисперсии), а зависимость $\mathrm{tg}δ( \omega )$ проходит через максимум.

Характер зависимостей $\varepsilon'( \omega)$ и $\mathrm{tg}δ( \omega )$ в области дисперсии определяется механизмом поляризации. В случае ионной и электронной поляризаций при упругом смещении связанных зарядов изменение $\boldsymbol{P(t)}$ при ступенчатом включении поля $\boldsymbol{E}$ имеет характер затухающих колебаний и зависимости $\varepsilon'( \omega)$ и $\mathrm{tg}δ( \omega )$ называются резонансными. В случае ориентационной поляризации установление $\boldsymbol{P(t)}$ носит экспоненциальный характер, а зависимости $\varepsilon'( \omega)$ и $\mathrm{tg}δ( \omega )$ называются релаксационными.

Методы измерения диэлектрической проницаемости основаны на явлениях взаимодействия электромагнитного поля с электрическими дипольными моментами частиц вещества и различны для разных частот. В основе большинства методов при $\omega⩽10^8$ Гц лежит процесс зарядки и разрядки измерительного конденсатора, заполненного исследуемым диэлектриком. При более высоких частотах используются волноводные, резонансные, мультичастотные и другие методы.

В некоторых диэлектриках, например, сегнетоэлектриках, пропорциональная зависимость между $\boldsymbol{P}$ и $\boldsymbol{E}[\boldsymbol{P}= \varepsilon_{0}( \varepsilon −1)\boldsymbol{E}]$ и, следовательно, между $\boldsymbol{D}$ и $\boldsymbol{E}$ нарушается уже в обычных, достигаемых на практике электрических полях. Формально это описывается как зависимость $\varepsilon(\boldsymbol{E})≠\text{const}$. В этом случае важной электрической характеристикой диэлектрика является дифференциальная диэлектрическая проницаемость:

$\varepsilon_{диф}=d\boldsymbol{D}/( \varepsilon_{0}d\boldsymbol{E}).$В нелинейных диэлектриках величину $\varepsilon_{диф}$ измеряют обычно в слабых переменных полях при одновременном наложении сильного постоянного поля, а переменную составляющую $\varepsilon_{диф}$ называют реверсивной диэлектрической проницаемостью.