第8章高分子材料的电学性能.
高分子材料性能研究与应用
高分子材料性能研究与应用高分子材料是一种重要的工程材料，广泛应用于机械、汽车、电子、建筑、医疗等领域。
高分子材料具有轻质、高强、高韧、耐腐蚀、绝缘等特点，成为各种工业领域不可或缺的材料。
本文将着重介绍高分子材料的性能研究和应用。
一、高分子材料的物理性质高分子材料是由许多分子聚合而成的，具有非晶态或半晶态的结构。
主要有以下几种物理性质：1.力学性能：高分子材料具有轻质、高强的特点，可以实现高效的能量转换和储存。
2.电学性能：高分子材料的电学性能可以通过改变分子结构和加工工艺来调节。
3.热学性能：高分子材料可进行热塑性加工，易于成型。
同时，高分子材料也具有较高的绝缘性和热稳定性。
4.光学性能：高分子材料具有光学吸收、透明度、颜色等特性。
通常用于制造光学器件和光学材料。
二、高分子材料的化学性质高分子材料的化学性质主要包括以下几个方面：1.物理状态：高分子材料通常以固体状态出现，但也可在适当的温度和溶剂下形成流体。
2.水解性：部分高分子材料的酯基与水反应后会发生水解，导致其结构的变化和物理性质的改变。
3.氧化降解：高分子材料会受到氧化物、酸、硷等因素的影响，导致其分子结构的破坏和硬度的降低。
4.耐化学品性：高分子材料具有耐酸、耐碱、抗溶解性等特性，在化学工业上被广泛使用。
三、高分子材料的应用高分子材料广泛应用于农业、建筑、医疗、能源、物流等众多领域。
主要包括以下几个方面：1.工程领域：高分子材料在机械加工、建筑材料、汽车工业、电子器材等领域得到广泛应用。
2.医疗领域：高分子材料作为医用材料和功能性医用材料，广泛用于外科、整形、骨科等医疗领域。
3.环保领域：高分子材料作为环保材料得到广泛应用，例如油泄漏清理材料、环保装饰材料等。
4.能源领域：高分子材料的应用在能源领域的广泛，如太阳能电池、锂离子电池、超级电容器等。
四、高分子材料的未来发展高分子材料的未来发展趋势是制备高性能材料、发展低成本加工技术和提高生物可降解性等方面。
高分子材料的电学性能
第六节 高分子材料的电学性能高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。
种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。
就导电性而言，高分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超导体。
多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。
另一方面，导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展。
以MacDiarmid 、Heeger 、白川英树等人为代表高分子科学家发现，一大批分子链具有共轭π-电子结构的聚合物，如聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等，通过不同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率σ=10-10-102 S •cm -1）甚至导体（σ=102-106 S •cm -1）的电导率。
通过结构修饰（衍生物、接枝、共聚）、掺杂诱导、乳液聚合、化学复合等方法人们又克服了导电高分子不溶不熔的缺点，获得可溶性或水分散性导电高分子，大大改善了加工性，使导电高分子进入实用领域。
白川英树等人因其开创性和富有成效的工作获得2000年度诺贝尔化学奖。
研究聚合物电学性能的另一缘由是因为聚合物的电学性质非常灵敏地反映材料内部的结构特征和分子运动状况，因此如同力学性质的测量一样，电学性质的测量也成为研究聚合物结构与分子运动的一种有效手段。
一、聚合物的极化和介电性能（一）聚合物电介质在外电场中的极化在外电场作用下，电介质分子中电荷分布发生变化，使材料出现宏观偶极矩，这种现象称电介质的极化。
极化方式有两种：感应极化和取向极化。
根据分子本身是否具有永久偶极矩，物质分子可分为极性分子和非极性分子两大类，其极化方式不同。
非极性分子本身无偶极矩，在外电场作用下，原子内部价电子云相对于原子核发生位移，使正负电荷中心分离，分子带上偶极矩；或者在外电场作用下，电负性不同的原子之间发生相对位移，使分子带上偶极矩。
高分子材料的电化学性能与电化学储能应用
高分子材料的电化学性能与电化学储能应用高分子材料是一类具有特殊结构和性质的材料，其在电化学领域中具有广泛的应用前景。
本文将从高分子材料的电化学性能入手，探讨其在电化学储能应用中的潜力。
一、高分子材料的电化学性能高分子材料的电化学性能指的是其在电解质溶液中的导电性和电极材料的可逆电化学反应性。
在电解质溶液中，高分子材料可以通过离子传导来实现电荷的流动。
这种离子传导机制使得高分子材料在电化学储能领域具有重要意义。
1. 高分子材料的离子传导性质高分子材料中常用的离子传导机制包括质子传导、离子交换、电子输运和溶剂浸润等。
其中，质子传导是一种重要的机制，常见的高分子材料如聚苯乙烯磺酸盐（PSSA）、聚苯乙烯磺酸酯（PSSP）和聚吡咯等都表现出良好的质子传导性能。
2. 高分子材料的电极反应性质高分子材料作为电极材料具有可逆的电化学反应性质，可以实现电荷的储存和释放。
举个例子，聚乙烯二醇（PEG）是一种常见的高分子材料，通过其氧化和还原反应可以存储电荷，实现电化学储能。
二、高分子材料的电化学储能应用基于高分子材料的电化学储能技术主要包括超级电容器和锂离子电池两个方面。
1. 高分子材料在超级电容器中的应用超级电容器是一种能够实现快速充放电的电化学储能装置。
高分子电解质和高分子电极材料是超级电容器中的重要组成部分。
聚合物基电解质具有较高的离子传导性能和化学稳定性，能够提高超级电容器的性能。
同时，通过控制高分子电极材料的结构和形貌，可以实现更高的比电容和循环寿命。
2. 高分子材料在锂离子电池中的应用锂离子电池是一种常见的可充电电池，其电极材料中常使用高分子材料。
例如，聚苯胺（PANI）是一种常用的锂离子电池正极材料，其在充放电过程中可通过氧化还原反应来存储和释放锂离子。
另外，高分子电解质也具有一定的应用潜力，可以提高锂离子电池的安全性和循环寿命。
三、高分子材料电化学储能应用的挑战与展望虽然高分子材料在电化学储能领域中具有广阔的应用前景，但仍然存在一些挑战需要克服。
高分子材料的结构及其性能
高分子材料的结构及其性能1. 引言高分子材料是由大量重复单元构成的大分子化合物，具有重要的工程应用价值。
其结构和性能之间的关系对于材料科学和工程领域的研究至关重要。
本文将介绍高分子材料的结构特点，并探讨其与性能之间的关系。
2. 高分子材料的结构高分子材料的结构可以分为线性结构、支化结构、交联结构以及共聚物结构等。
不同结构的高分子材料具有不同的特点和应用领域。
线性结构是最简单的高分子材料结构，由一条长链构成，链上的重复单元按照一定的顺序排列。
线性结构的高分子材料具有较高的可拉伸性和延展性。
2.2 支化结构支化结构在线性结构的基础上引入了支链，可以增加高分子材料的分子间距离，提高其熔融性和热稳定性。
支化结构的高分子材料常用于塑料制品的生产。
2.3 交联结构交联结构是指高分子材料中分子之间通过共价键形成网络结构。
交联结构的高分子材料具有较高的强度和硬度，常用于橡胶制品的生产。
共聚物是指由两种或两种以上不同单体按照一定比例聚合而成的高分子化合物。
共聚物结构的高分子材料具有多种物化性质的综合优点，广泛应用于各个领域。
3. 高分子材料的性能高分子材料的性能与其分子结构密切相关，主要包括力学性能、热学性能、电学性能和光学性能等。
3.1 力学性能高分子材料的力学性能包括强度、韧性、硬度等指标。
线性结构的高分子材料通常具有较高的延展性和可拉伸性，而交联结构的高分子材料则具有较高的强度和硬度。
3.2 热学性能高分子材料的热学性能包括熔点、热膨胀系数、导热系数等指标。
分子结构的不同会对高分子材料的热学性能产生显著影响，如支化结构的高分子材料通常具有较低的熔点和较高的热膨胀系数。
3.3 电学性能高分子材料的电学性能主要包括导电性和介电性能。
共聚物结构的高分子材料常具有较高的导电性，而线性结构的高分子材料则通常具有较好的介电性能。
3.4 光学性能高分子材料的光学性能指材料对光的吸收、透过性和反射性等特性。
不同结构的高分子材料在光学性能上也会有所差异，如支化结构的高分子材料通常具有较高的透光性。
高分子材料的电化学性能研究
高分子材料的电化学性能研究随着科技的发展，高分子材料在各个领域的应用日益广泛。
高分子材料的电化学性能是评估其在电子器件、能源存储等方面应用潜力的重要指标。
本文将探讨高分子材料的电化学性能研究及其在不同领域中的应用。
高分子材料的电化学性能取决于其分子结构、导电性和电化学稳定性。
分子结构的改变可以通过改变聚合物材料的化学结构、分子量、分子量分布和共聚率等参数来实现。
导电性的提高可以通过引入导电链段或掺杂导电剂来实现。
电化学稳定性的提高可以通过调控分子结构以减少氧化还原反应的副反应或通过合成稳定的材料来实现。
高分子材料的电化学性能研究包括电导率测试、电化学稳定性测试、电化学脉冲测试等。
电导率测试可以通过四探针法或电化学阻抗谱法来进行。
四探针法通过测量材料导电性的同时排除电极接触电阻的影响。
电化学阻抗谱法则可以获得材料的电荷传输性能、电解液浸润性等信息。
电化学稳定性测试可以通过循环伏安法或恒电流充放电测试来进行。
循环伏安法可以确定材料的氧化还原峰位置和峰形的变化，从而评估其电化学稳定性。
恒电流充放电测试可以评估材料在电化学储能器件中的应用潜力。
高分子材料的电化学性能研究在电子器件领域有着重要的应用。
例如，高分子薄膜电晕层可以应用于平板电视、手机等电子设备中的电子顶层封装材料。
其电化学性能直接影响到材料的导电性和耐久性，从而决定了电子器件的性能和寿命。
因此，对高分子材料电化学性能的研究有助于提高电子器件的可靠性和稳定性。
此外，高分子材料的电化学性能研究在能源存储和转换领域也具有重要意义。
高分子材料可以作为超级电容器、锂离子电池和燃料电池等能源储存和转换设备的关键组件。
通过优化材料的电化学性能，可以提高能量密度、倍率性能和循环稳定性等关键指标，从而实现能源设备的性能提升和可持续发展。
总之，高分子材料的电化学性能研究对于其在电子器件、能源存储和转换等领域的应用至关重要。
通过改变分子结构、提高导电性和增强电化学稳定性，可以改善高分子材料的电化学性能，并推动相关领域的发展。
导电高分子材料的制备与电化学性能研究
导电高分子材料的制备与电化学性能研究引言：导电高分子材料是一类具有导电性能和高分子特性的材料，具有广泛的应用前景。
本文将介绍导电高分子材料的制备方法，并重点讨论其电化学性能。
一、导电高分子材料的制备方法导电高分子材料的制备方法多种多样，常见的制备方法包括化学合成、高分子功能修饰和纳米复合等。
其中，化学合成是最常用的方法之一。
通过合成方法，可以调控导电高分子材料的结构和性能。
以聚苯胺为例，聚苯胺可以通过氧化聚合反应合成，反应后的聚苯胺可以形成导电结构，并具备较高的导电性能。
二、导电高分子材料的电化学性能导电高分子材料具有良好的电化学性能，在电化学领域有着广泛的应用。
首先，导电高分子材料具有良好的导电性能。
导电高分子材料可以通过掺杂或修饰等方法来调控其导电性能，使其成为优良的导体。
其次，在电化学过程中，导电高分子材料具有较好的稳定性和可逆性。
导电高分子材料可以承受较大电流和电压，且在电化学反应过程中无可逆过程，具备良好的电化学稳定性。
此外，导电高分子材料还具备其他特点，如高比容量、快速充放电速率和优异的循环稳定性等。
这些特点使得导电高分子材料在锂离子电池、超级电容器和柔性电子器件等领域有着广泛的应用前景。
三、导电高分子材料的应用导电高分子材料在多个领域都有着广泛的应用。
首先，导电高分子材料在能源储存领域有着重要的应用。
以锂离子电池为例，锂离子电池的正负极材料常常使用导电高分子材料。
导电高分子材料作为锂离子电池正电极材料时，具有较高的储锂容量和循环稳定性；作为电解质材料时，具有较好的离子传导性能。
其次，导电高分子材料在超级电容器领域也有着重要的应用。
导电高分子材料的高导电性和快速充放电速率使得其成为超级电容器电极材料的理想选择。
此外，导电高分子材料还可以应用于柔性电子器件、传感器和导电涂层等领域，具有广阔的发展前景。
结论：导电高分子材料具有良好的导电性能和电化学性能，在能源储存、超级电容器和柔性电子器件等领域有着广泛的应用前景。
材料电学性能
高分子材料的电学性能高分子092班学号:5701109061 姓名:林尤琳摘要：种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。
多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高,加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能,使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。
关键词：高分子材料电学性能静电导电介电常数高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。
电学性能是材料最基本的属性之一，这是因为构成材料的原子和分子都是由电子的相互作用形成的,电子相互作用是材料各种性能的根源.电子的微观相互作用同时是产生材料宏观性能，包括电学性能的微观基础。
在电场作用下产生的电流、极化现象、静电现象、光发射和光吸收现象都与其材料内部的电子运动相关。
深入、系统了解材料的电学性能在材料的制备、应用等方面都具有非常重要的意义。
（1）一、聚合物的介电性介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。
通常用介电常数和介电损耗来表示。
（2)根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类:非极性（μ＝0)：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等弱极性（μ≤0。
5):聚苯乙烯、天然橡胶等极性（μ＞0。
5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等强极性（μ＞0.7）:聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等聚合物在电场下会发生以下几种极化:（1）电子极化,(2）原子极化，(3）偶极极化.聚合物的极化程度用介电常数ε表示式中：V为直流电压；Qo、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷.非极性分子只有电子和原子极化,ε较小;极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化,ε较大。
此外还有以下因素影响ε：（1)极性基团在分子链上的位置。
高分子材料的电学性能与结构关系研究
高分子材料的电学性能与结构关系研究高分子材料广泛应用于电子器件和能源存储设备等领域，其电学性能的稳定性和性能优越性是实现诸如高电子传导率、低电阻率和高电容率等要求的关键。
因此，对高分子材料的电学性能与结构之间的关系进行深入研究，有助于设计和合成出更好的高分子材料。
首先，高分子材料的分子结构对其电学性能起着重要影响。
例如，高分子材料的分子链长度、支化程度和分子间作用力等因素影响了高分子材料的电子传输能力。
较长的分子链和较强的分子间作用力有助于提高材料的电子传导能力和载流子迁移率。
而较短的分子链和较强的支化程度会导致高分子材料的电阻率增加，从而影响其电学性能。
其次，高分子材料的晶体结构对其电学性能也有重要作用。
一些高分子材料具有有序的晶体结构，如聚乙烯、聚苯乙烯等。
这些有序的晶体结构有利于高分子材料形成载流子传输通道，提高其电子传导性能。
相比之下，无序的非晶态结构常常会导致高分子材料的电子传导性能下降。
因此，通过调控高分子材料的结晶度和晶体结构，可以有效改善其电学性能。
此外，高分子材料的官能团结构也可以影响其电学性能。
官能团结构可以调控高分子材料的电子亲和性和电荷传输性能。
例如，引入含氮或含氧官能团的高分子材料往往具有较高的电子亲和性，有利于电子传输。
而引入含硫或含硒官能团的高分子材料则具有较好的电子传输性能。
因此，通过合理设计和调控高分子材料的官能团结构，可以改善其电学性能。
此外，高分子材料的形貌结构也对其电学性能具有重要影响。
例如，高分子材料的形貌结构，如纳米结构、微孔结构和多孔结构等，都可以影响其电子传输能力和电容性能。
纳米结构的高分子材料具有较大的比表面积，有利于电荷的传输和载流子的迁移。
微孔和多孔结构可以增加高分子材料的电容性能和电解质的扩散性，提高电池的能量密度和功率密度。
因此，通过控制高分子材料的形貌结构，可以优化其电学性能。
总之，高分子材料的电学性能与其结构之间存在密切的关系。
通过调控高分子材料的分子结构、晶体结构、官能团结构和形貌结构等方面，可以进一步提高高分子材料的电学性能。
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tanδ称介电损耗正切，tanδ的物理意义是在每个交变
电压周期中，介质损耗的能量与储存能量之比。tanδ
越小，表示能量损耗越小。
表示材料介电损耗的大小。
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影响聚合物介电性能的因素 （1）高聚物的分子结构 高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关 非极性聚合物具有低介电系数（ε约为2）和低介
中等极性聚合物，0.5 < μ ≤ 0.7D，ε = 3.0 ~ 4.0
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（2）外加电场频率
低频电场中，介电系数就是静电场下的数值ε0
频率超过某一范围时，介电系数减小。
高频电场下，最后只会发生电子极化，介电系数
达到最小值。
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（3）温度的影响 非极性高聚物的介电系数与温度关系不大 极性高聚物一般来说在温度不太高时，介电系数 增加，到超过一定温度范围后，介电系数减小。
第 8章 高分子材料的电学性能
高分子材料的电学性能 是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性 能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩 擦时所引起的表面静电性质等。 高分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超导体 多数高分子材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻 率高、介电损耗小，电击穿强度高 导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展
可以通过测量电介质介电系数ε求得分子极化率α
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非极性介质
1 M 4 P0 N 0 d 2 3
n2 1 M R P0 n2 2
摩尔折射率
n
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联系着介质的电学性能 和光学性能
对非极性高聚物也是适用的
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复介电系数
Hale Waihona Puke ＝ －i
为实数部分，即试验测得的介电系数 为虚数部分，称为损耗因子。
* C0V
“纯电容”的电流 I C
“纯电阻”的电流 I R
* C0V
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用“电阻”电流与“电容”电流之比表征介质的介电损耗
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只有当电场变化速度与微观运动单元的本征极化速 度相当时，介电损耗才较大
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真空电容器
I * i t C 0 dV iC 0V * C 0V0 dt
*
i t 2 e
电介质电容器
* dV I * i t C 0 i iC 0V * dt i C 0 C 0 V * I R iI C
12
Debye方程
极性电介质
2 0 ~ 1 M 4 P N 0 ( d ) 2 3 3KT
非极性介质的摩尔极化强度与温度无关 极性介质的摩尔极化强度随温度升高而减小
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三、影响高聚物介电系数的因素 （1）高聚物分子结构 分子极性越大，极化程度越大，介电系数越就越大 非极性聚合物， μ = 0D， 弱极性聚合物， 0 < μ ≤ 0.5D， 强极性聚合物， μ > 0.7D， ε = 2.0 ~ 2.3 ε = 2.3 ~ 3.0 ε = 4.0 ~ 7.0
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6
取向极化 发生在具有永久偶极矩的极性分子中
2
02
3KT
E 0E
0
2 0
3KT
7
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非极性分子在外电场中只产生诱导偶极矩 极性分子产生的是诱导偶极矩和取向偶极矩之和
1 2 E
d 0 d
电损耗（tgδ<10-4）；
极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗 同一聚合物高弹态下的介电系数和介电损耗要
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三、介电损耗
电介质在交变电场中极化时，会因极化方向的变化
而损耗部分能量而发热，称介电损耗。 电导损耗：电介质所含的微量导电载流子在电场
作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能。
极化损耗：由于分子偶极子的取向极化造成的。 非极性聚合物，电导损耗是主要的。 极性聚合物，其主要部分为极化损耗
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4
一、分子极化
电子极化
变形极化或 诱导极化
价电子云相对原子核的位移 10-15 ~ 10-13 s
原子极化 分子极化 取向极化
10-9 s以上 原子核之间的相对位移 10-13 s以上
界面极化
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诱导偶极矩
1 d E
d 1 2
αd称为变形极化率； α1和α2分别为电子极化率和原子极化率
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2
本章内容
电学性能：主要包括导电性能和介电性能。
本章讨论高分子材料的导电、介电机理及其影响因素，
导电、介电性能参数的测定与应用，热电性能。 高聚物的介电性能 高聚物的导电性能与导电高分子材料 高聚物的电击穿 高聚物的静电作用
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3
8.1 高聚物的介电性能
高聚物在外电场作用下出现的对电能的储存和损 耗的性质，称为介电性 用介电系数和介电损耗来表示。 在外电场的作用下，电介质分子中电荷分布所发 生的相应变化称为极化 极化决定了高聚物的介电行为
2 0
3KT
8
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高分子链的偶极矩是整个分子链中所有偶极矩的矢量和
CR2 CH2 CH2 n 型 CR2 n 型
0 3 n 4 11 n 12
CHR n 型
介质的极化度
P n0 n0E
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二、介电系数 真空平板电容器的电容C0与 施加在电容器上的直流电压V 及极板上产生的电荷Q0
C0 Q0 / V
C Q / V Q0 Q / V C0
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介电系数ε 含有电介质电容器的电容与该真空电容器的电容之比
C / C0 1 Q / Q0
介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力
~ 1 M 4 P N 0 2 3