在电磁学中，介电常数通常指的是绝对介电常数，用ε表示。在电场中的电介质中的电荷会在电场的作用下出现微小的位移，从而出现束缚电荷；这是电介质内的位移极化。在极性材料中，分子存在固定的电偶极矩。不加外场时，由于分子的随机热运动，材料平均的电偶极矩为零。当加上电场时，这些电偶极矩的取向倾向于沿着电场方向，从而使得平均电偶极矩不为零，这是极性材料的取向极化。我们研究的多数电介质都可以近似地认为极化矢量与电场成正比，此时我们可以用介电常数度量在相同电场下电介质极化能力的强弱。
介电常数的量纲是I2T4M-1L-3，国际单位制中介电常数的单位是F·m-1（法拉/米）。通常，我们还会用相对介电常数来表示电介质的极化能力。相对介电常数是一个无量纲的数，定义是介电常数与真空介电常数之比
εr=ε/ε0 (1)
理想情况下，真空的相对介电常数是1。标准温度和压力下，空气的介电常数约为1.0006，一般情况下可以近似等于1。
- 中文名
- 介电常数
- 外文名
- Permittivity
- 所属学科
- 物理学
- 定 义
- ε=ε0（1+χ）
- 量 纲
- I2T4M-1L-3
定义
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介电常数的定义是极化矢量与电场之比。极化矢量
对于大多数电介质，我们可以近似地认为极化矢量与电场成正比，比例系数是极化率
其中
电介质中的静电学
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束缚电荷
物理解释
束缚电荷图解公式推导
对于单个电偶极子
根据极化矢量的定义，极化产生的电偶极矩是
分析上述公式的物理意义，我们可以看到，第一项表示面电荷的贡献，束缚电荷面密度是
其中
电容
高斯定律
其中
麦克斯韦方程组
在电磁介质中，我们经常会用到辅助物理量电位移矢量
描述电流和电场的变化产生磁场的方程是
在电磁介质中，电流密度可以分成三部分：自由电荷的电流
斯塔克效应
考虑了微扰之后的波函数是
因此，电偶极矩是
相应地，我们可以得到摄化率
随时间变化电场中的电介质
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材料受到外场作用时不会瞬间极化，电介质极化更普遍的表达式是
也就是说电介质的极化依赖于外加电场的频率，极化率会有一个色散关系。
复介电常数
材料对外部电场的线性响应通常与场的频率一致。电位移矢量的变换频率与电场的变化频率是相同的。而施加电场后，极化需要时间，这反应在电位移矢量和电场之间存在一个相位差。因此，通常介电常数是一个复数，即
介电常数张量
电介质介电常数表
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温度对介电常数的影响附常见溶剂的相对介电常数，条件为室温下，测试频率为1KHz。
H2O （水） 78.5
HCOOH （甲酸） 58.5
HCON（CH3）2 （N,N-二甲基甲酰胺）36.7
CH3OH （甲醇） 32.7
C2H5OH （乙醇） 24.5
CH3COCH3 （丙酮） 20.7
n-C6H13OH （正己醇）13.3
CH3COOH （乙酸或醋酸） 6.15
C6H6 （苯） 2.28
CCl4 （四氯化碳） 2.24
n-C6H14 （正己烷）1.88
n-C4H10（四号溶剂） 1.78 [1]
气体 | 相对介电常数 | 固体 | 相对介电常数 |
水蒸汽 气态溴 氦 氢 氧 氮 氩 气态汞 空气 硫化氢 真空 乙醚 液态二氧化碳 甲醇 乙醇 水 液态氨 液态氦 液态氢 液态氧 液态氮 液态氯 煤油 松节油 苯 油漆 甘油 | 1.00785 1.0128 1.000074 1.000264 1.00051 1.00058 1.00056 1.00074 1.000585 1.004 1 4.335 1.585 33.7 25.7 81.5 16.2 1.058 1.22 1.465 2.28 1.9 2～4 2.2 2.283 3.5 45.8 | 固体氨固体醋酸 石蜡 聚苯乙烯 无线电瓷 超高频瓷 二氧化钡 橡胶 硬橡胶 纸 干砂 15%水湿砂（金刚石） 木头 琥珀 冰 虫胶（紫胶） 赛璐珞 玻璃 黄磷 硫 碳 云母 花岗石 大理石 食盐 氧化铍 聚氯乙烯 | 4.01～4.1 2.0～2.3 2.4～2.6 6～6.5 7～8.5 106 2～3 4.3 2.5 2.5 约2～8 2.8 2.8 3～4 3.3 4～11 5~10 4.2 5.5～16.5 6～8 6~8 8.3 6.2 7.5 9 3.1~3.5 |
应用
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低介电常数薄膜机械性质量测结果早在1997年，人们就认为在2003年，集成电路工艺中将使用的绝缘材料的介电常数（k值）将达到1.5。然而随着时间的推移，这种乐观的估计被不断更新。到2003年，国际半导体技术规划（ITRS 2003[7]）给出低介电常数材料在集成电路未来几年的应用，其介电常数范围已经变成2.7~3.1。
造成人们的预计与现实如此大差异的原因是，在集成电路工艺中，低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：足够的机械强度（MECHANICAL strength）以支撑多层连线的架构、高杨氏系数（Young's modulus）、高击穿电压（breakdown voltage＞4MV/cm）、低漏电（leakage current＜10^(-9) at 1MV/cm）、高热稳定性（thermal stability＞450oC）、良好的粘合强度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜应力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低热涨系数（coefficient of thermal expansion）以及与化学机械抛光工艺的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能够满足上述特性的低介电常数材料并不容易获得。例如，薄膜的介电常数与热传导系数往往就呈反比关系。因此，低介电常数材料本身的特性就直接影响到工艺集成的难易度。
在超大规模集成电路制造商中，TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等许多公司为了开发90nm及其以下技术的研究，先后选用了应用材料公司（Applied Materials）的 Black Diamond 作为低介电常数材料。该材料采用PE-CVD技术[8] ，与现有集成电路生产工艺完全融合，并且引入BLOk薄膜作为低介电常数材料与金属间的隔离层，很好的解决了上述提及的诸多问题，是已经用于集成电路商业化生产为数不多的低介电常数材料之一。 [2]
测量方法
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相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量：首先在两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。然后，用同样的电容极板间距离，但在极板间加入电介质后测得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算：
在标准大气压下，不含二氧化碳的干燥空气的相对电容率εr＝1.00053。因此，用这种电极构形在空气中的电容Cair来代替C0来测量相对电容率εr时，也有足够的准确度。（参考GB/T 1409-2006）
对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。 [1]
