複素誘電率・とは？初心者でも分かるやさしい解説と日常の例共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

複素誘電率とは

複素誘電率は電磁波が材料の中を進むとき、どのように反応してエネルギーを蓄えたり損失したりするかを表す重要な指標です。日常生活の中でも、スマホの電波が材料を通過するときの挙動を理解するときに役立ちます。複素誘電率は周波数に依存して変化する性質があり、材料の種類や温度によっても違います。

複素誘電率の定義

複素誘電率は ε* という量で表され、実部 ε' と虚部 ε'' を組み合わせた形をとります。ε* = ε' - i ε'' のように書かれることが多く、<span>周波数に依存する複素量である点が特徴です。

実部と虚部の意味

ε'（実部） は材料が電場を蓄える能力を示します。電場が材料にかかると内部で分極が生じ、エネルギーを一時的に蓄える性質を表します。ε''（虚部） は材料が電磁エネルギーを熱などとして失う程度を表します。虚部が大きいと、材料は電磁波をより熱として失いやすいことを意味します。

周波数と損失の関係

周波数が変わると ε' と ε'' は変化します。低周波では分極が追従しやすく、ε' が大きくなることがあります。一方、高周波になると分極の追従が難しくなり、ε'' が増えることがあります。これが材料選びや設計のときに重要な理由です。

なぜ複素誘電率を学ぶのか

複素誘電率を知ると、材料がどの周波数で適しているか、どの程度の損失が出るかを予測できます。電気回路の設計、通信機器の材料選定、センサーの性能評価など、さまざまな場面で応用が広い考え方です。

実用のヒントと表での整理

以下の表は複素誘電率の基本を整理したものです。

<th>項目

説明
複素誘電率 ε*	ε* = ε' - i ε'' という形で表される周波数依存の量
ε'（実部）	電場を蓄える能力を示す
ε''（虚部）	電磁エネルギーの損失を示す
周波数依存性	周波数が変わると ε' と ε'' が変化する

日常生活での直感的な例

例えば、静電気を帯びたプラスチック製品が周波数の異なる電波に対してどう反応するかを考えると、ε' が高い材料は電場をよく蓄える傾向があり、ε'' が高い材料は熱としてエネルギーを失いやすい傾向があると直感的に理解できます。

このように複素誘電率を知ると、材料の選択や周波数設計の際に「どの材料がどの場面で適しているか」を見極めやすくなります。

複素誘電率の同意語

複素誘電率: 材料の誘電特性を周波数に対して複素数で表した量。実部 ε′ は電気を蓄える力、虚部 ε″ はエネルギー損失（損耗）を表します。
複素相対誘電率: 真空の誘電率 ε0 で割った量で、材料の相対的な電気的応答を周波数依存の複素数として表します。ε* = ε_r* という形で表されます。
複素比誘電率: 複素相対誘電率の別称。材料の比誘電的性質を周波数とともに複素数で表す表現です。
複素誘電特性: 誘電率の性質を周波数依存で総称的に表した表現。実部と虚部の2つの成分で構成されます。
相対複素誘電率: 材料の相対的な誘電応答を示す複素量。ε_r* と表され、実部 ε_r′、虚部 ε_r″ を持ちます。

複素誘電率の対義語・反対語

実数誘電率: 複素誘電率の虚部 ε'' を含まない、実部 ε' のみで表される状態や概念。実数として扱われ、電磁波のエネルギー損失がない近似を指すことが多い。
無損失誘電率: 電磁波を材料が吸収・散乱しない性質を指す語。ε'' = 0 の状態で、熱としてのエネルギー損失がないことを意味する。
実部のみの誘電率: 複素誘電率 ε* の実部 ε' だけを取り出して用いる概念。虚部 ε'' は無視する前提・近似を表す。
理想的絶縁体の誘電率: 実務的には ε''=0 に近い、完全に電磁波を損失しない材料に対する表現。理想的な絶縁体を想定した誘電応答の言い換え。
静的誘電率: 周波数をほぼゼロとする極限での誘電率。複素的性質より、静的・定常的な応答を語るときに使われる概念。
周波数非依存の誘電率: 周波数に依存しない・ε* が一定の誘電特性を指す表現。実務的には近似として用いられる場合が多い。

複素誘電率の共起語

複素誘電率: 周波数依存の誘電特性を表す複素量。実部 ε' は外部電場を蓄える能力、虚部 ε'' は電場を介して熱として失われるエネルギーの成分です。
実部 ε': 外部交流電場を蓄える能力の実部。周波数によって変化し、分極の蓄積を表します。
虚部 ε'': 電場を介して熱として失われるエネルギーの成分。誘電損失の主な指標です。
損失正接 tanδ: tanδ = ε''/ε' で表される誘電損失の指標。数値が大きいほどエネルギー損失が大きくなります。
周波数依存性: 複素誘電率が周波数 ω に対してどのように変化するかという性質。分極緩和や導電成分の影響を受けます。
分極: 外部電場に対して電荷が再配置する現象。複素誘電率の背景となります。
極化過程: 分極が複数の過程で進むことを指します。Debye、Cole–Cole、 Havriliak–Negami などのモデルが用いられます。
緩和時間 τ: 分極の応答速度を表す時間定数。ω τ によってε*の周波数応答が決まります。
Debyeモデル: 単一緩和過程の分極モデル。水など、分極の遅延を説明する基本モデルです。
Drudeモデル: 自由電子の応答を説明する金属・導電性材料向けのモデル。
誘電損失: ε''が示すエネルギー吸収の総称。温度・周波数で変化します。
複素屈折率: 光学で使われる複素数。ε*と関連し、n* = n − i k、ε* = (n − i k)^2 などの関係式で結ばれます。
複素導電率: 周波数領域での導電性を扱う概念。導体や半導体の応答を表します。
導電率 σ: 電荷の伝導能力を表す実数量。ε'' は σ/(ω ε0) などの式で関係づけられます。
伝搬定数 γ: 電磁波の伝搬を表す複素量で、材料のε*によって決まります。減衰係数と位相変化を含みます。
相対誘電率 ε_r: 材料の比誘電率。複素量 ε_r* として周波数依存性を持つことがあります。
真空の誘電率 ε0: 真空の基本誘電率。物理定数として重要です。
温度依存性: 温度が誘電特性・分極過程・損失に影響を与えること。材料ごとに異なります。
誘電分光法: 周波数領域でε*(ω)を測定する実験手法。dielectric spectroscopy に相当します。
ポリマー: 高分子材料の一種で、誘電特性が重要な設計要素になります。
セラミック: 無機絶縁体の代表例。高ε'や低損失の材料設計に使われます。
水: Debye 緩和が特徴的で、ε'とε''の周波数依存が顕著な材料です。
複素比誘電率関係: ε*と複素屈折率の間の関係式（例: ε* = (n − i k)^2）など、光学と電気的応答の関連を示します。

複素誘電率の関連用語

複素誘電率: 周波数に依存して複素数で表される誘電率。ε*(ω) = ε'(ω) − i ε''(ω) の形で表し、分極と損失の情報を同時に持つ。
実部 ε': 周波数と材料の分極能量の蓄積能力を示す実数成分。高周波領域では変化することが多い。
虚部 ε'': 周波数と材料の電気的損失を示す虚数成分。値が大きいほどエネルギーが熱として失われやすい。
介電損失 tanδ: ε''/ε' の比。材料のエネルギー損失の指標として広く用いられる。
介電損失角 δ: 損失の角度表現。δ = arctan(ε''/ε')として定義される。
静的誘電率 εs: 周波数をほぼゼロにしたときの誘電率。分極が完全に追従する領域の値。
高周波誘電率 ε∞: 周波数を非常に高くしたときの極限的な誘電率。分極が追従できない領域での値。
相対誘電率 εr: ε* を真空の誘電率 ε0 で割った比。複素相対誘電率 εr* = εr' − i εr'' が一般的。
複素誘電率と複素屈折率の関係: 光学的には ε* = (n*)^2、複素屈折率 n* = n − iκ、ε* と n* には上の関係が成り立つ。
実部と虚部の関係（表記の注意）: 多くの文献で ε* = ε' − i ε'' の形を使うが、ε* = ε' + i ε'' と表す文献もある。符号には統一性を確認すること。
Debyeモデル: 分極の緩和を1つの時間定数 τ で近似する古典モデル。 ε*(ω) = εs − (εs − ε∞) / (1 + i ω τ)。
Cole-Coleモデル: 分極緩和の分布を考慮した拡張モデル。 ε*(ω) = ε∞ + (εs − ε∞) / [1 + (i ω τ)^{1−α}]（0 ≤ α < 1）。
Cole-Davidsonモデル: Cole-Davidson分布を用いた緩和モデル。 ε*(ω) の別の分布表現。
Drudeモデル: 自由キャリアを含む導電性材料の複素誘電率モデル。 ε*(ω) = ε∞ − i σ(ω) / (ε0 ω) の形で表すことが多い。
Maxwell-Wagner効果: 多相材料における界面分極による周波数依存性の寄与。
Kramers-Kronig関係: ε'(ω) と ε''(ω) の間の因果関係を示す式。整合性を確認する際に用いられる。
測定法（インピーダンス法）: 周波数を変えてインピーダンスを測定し、ε*(ω) を推定する方法。
測定法（キャパシタンス・ロス法）: キャパシタンスと損失角を測定して ε*(ω) を算出する実務手法。
分極機構: 電子分極: 電子が雲のように原子核の周りで分極する現象。主に高周波領域で寄与。
分極機構: イオン分極: イオンの微小移動により分極が生じる現象。中周波で重要な寄与をすることが多い。
分極機構: 配向分極（極性分子の整列）: 双極子分子が外部電場に沿うように整列する現象。低〜中周波数で寄与。
分極機構: 容界面分極 / Maxwell-Wagner分極: 材料内部の異なる相の界面に蓄積される電荷による分極。周波数依存性が大きい。
周波数依存性: ε'・ε'' は周波数 ω によって変化する。各分極機構が追従できる周波数領域が異なる。
温度依存性: 温度の変化により分極能量や自由キャリア密度が変化し、ε'・ε'' が変動する。