介電常數 (ε) 以復雜物理學為基礎，但簡單來說，它可以描述為物質保持電荷的能力。
介電常數 (Ka) 是物質的介電常數與自由空間的比值。Ka 在空氣中的值為 1，在水中的 Ka 值約為 80。
許多材料具有 ε 或 Ka。例如，玻璃的Ka在5到10之間，紙的Ka在2到4之間，身體組織的Ka大約是8。
土壤中 1 至 1000 MHz 電磁波的行為可用于測量或表征復介電常數。介電常數在 1870 年代首次由麥克斯韋方程組進行數學量化。1980 年，GC Topp 提出了一種方法和校準方法，可以根據土壤的電特性來預測土壤水分，稱為 Topp 方程。今天，許多不同種類的土壤濕度傳感器以一種或另一種方式在市場上出售，它們的土壤濕度估計基于介電常數。
在所有市售的電子土壤傳感器中，涉及復介電常數的測量仍然是通過原位傳感器或便攜式設備確定土壤含水量的最實用方法。電磁土壤傳感器使用振蕩射頻，產生的信號與土壤的介電常數有關，其中原位土壤顆粒/水/空氣基質是電介質。隨后的校準將原始傳感器響應用于土壤濕度估計。
水的 Ka 隨溫度和壓力略有不同。Ka 值為 80 假定水處于室溫。Owen 等人 (1961) 引用了水在一定溫度和壓力范圍內的 Ka 值。溫度與水的 Ka 之間存在反比關系，其中 Ka 隨溫度升高而減小。
水的 Ka 的溫度依賴性對土壤含水量傳感器的校準具有重要意義。通常，傳感器的校準是在室溫下進行的。然而，田間土壤溫度可以從極低到極高不等。大多數研究人員，當然也包括大多數種植者，在報告土壤含水量值時忽略了溫度對 Ka 的影響。其他變量，尤其是土壤電導率，會加劇溫度對土壤含水量傳感器精度的影響。
介電理論
復介電常數描述了材料允許電場的能力。當電磁波在物質中傳播時，電場的振蕩與磁場的振蕩垂直，而這些振蕩與傳播方向垂直。材料的介電常數是一個復數，包含實部和虛部，取決于頻率、溫度和材料的特性。這可以表示為：

[1]
_r是實介電常數，ε _i是虛介電常數和 （托普 1980）。
當無線電波在土壤中傳播和反射時，土壤的性質和含水量會影響波。當電磁無線電信號在土壤中傳播時，水分含量以及在較小程度上的土壤特性將通過改變頻率、振幅、阻抗和傳播時間來改變和調制電磁無線電信號。
當射頻在土壤中傳播時，可以通過測量這些對射頻的調制來確定介電常數。通常，實部代表以旋轉或定向極化形式存儲的能量，表示土壤含水量。水的實際介電常數在 25°C 時為 78.54，干土壤的實際介電常數通常約為 4。實際介電常數的變化與含水量的變化直接相關，所有電磁土壤傳感器的濕度校準都基于測量或估計土壤顆粒/水/空氣基質的實際介電常數。（瓊斯 2005 年，布朗奎斯特 2005 年）。介電常數的虛部：

[2]
表示能量損失，其中 ε _rel是分子弛豫，? 是頻率，ε _v真空介電常數，σ _dc是直流電導率。在大多數土壤中，ε _rel相對較小，對虛部的測量可以很好地估計 1 到 75 MHz 的電導率（Hilhorst 2000）。在沙質土壤中，分子弛豫可以忽略不計。
電荷的存儲是以法拉為單位的電容，并且與實數分量（非頻率相關）相關：

[3]
其中 g 是幾何因子，ε 是介電常數。如果電容器的電場是振蕩的（即電磁波），則電容也會變成一個復數，并且可以用與方程 [1] 和 [2] 中的復介電常數類似的方式來描述（Kelleners 2004）。
視在介電常數 ε _a是一個包含真實介電常數和圖像介電常數的參數，是大多數土壤傳感器用來估計土壤濕度的參數。

[4]
從方程 [4] 中，表觀介電常數是實部和虛部的函數（Logsdon 2005）。較高的 ε _i值會使 ε _a膨脹，這可能會導致土壤水分含量估計出現錯誤。為了縮小來自 ε _i的濕度校準誤差，一些土壤傳感器技術，例如時域反射計 (TDR)和時域透射計 (TDT)將在高頻下運行，從而使 ε_具有更真實的特性。實際上，含鹽量高的土壤會使土壤水分測量值膨脹，因為 ε _a會因 ε的直流電導率分量而增加_我。此外，ε _i對溫度變化比 ε _r更敏感，導致土壤水分數據中的晝夜溫度漂移（Blonquist 2005，Seyfried 2007）。能夠最好地隔離真實成分并將其與虛構成分描繪出來的土壤濕度傳感器將是最準確的，并且具有較低的傳感器間變異性。
水是極性分子，這意味著水分子的一部分帶有負電荷，而分子的另一半帶有正電荷。水的極性非常強，而土壤則是非極性的。在存在電磁波的情況下，水的極性會導致旋轉偶極矩，而土壤幾乎不受影響。
1. 術語說明。術語“實際介電常數”通常是指在特定條件下恒定的物理特性。術語“實介電常數”或“實介電常數”是指正在發生變化的介質（例如土壤）的實介電常數。
這意味著水將隨著振蕩電場（即電磁波）的上升和下降而旋轉和重新定向，而土壤大部分保持靜止。從 1 到 1000 MHz，水的旋轉偶極矩會出現在與電磁波相同的頻率上。正是水的這種旋轉偶極矩造成了水的高介電常數₁約為 80。介電常數的大變化與土壤濕度的變化直接相關。

液相中的水分子重新定向，即旋轉偶極矩。

極化的插圖。土壤的實際介電常數主要是由于水的取向極化（取自 Lee 等人，2003 年）
溫度如何影響介電常數
實部和虛部介電常數都會受到溫度的影響。虛部比實部對溫度變化更敏感。（塞弗里德 2007 年）。
水的實際介電常數與溫度有輕微的相關性。隨著溫度升高，分子振動會增加。在存在振蕩電場的情況下，這些分子振動將阻礙液態水的旋轉偶極矩；因此，水的實際介電常數會隨著溫度的升高而降低。文獻中發現的與溫度的經驗關系如公式 [5] 所示（Jones 2005）：

[5]
液態水的介電常數隨著溫度的升高而降低，但在土壤中，由于結合水效應，水對溫度的介電依賴性更加復雜。隨著溫度的變化，水和在微觀水平上與土壤顆粒結合的陽離子（正離子）的分子振動會影響射頻存在下的偶極矩。實際上，土壤濕度校準的溫度校正高度依賴于土壤。在某些土壤中，實際介電質可能會隨著溫度升高而呈下降趨勢，就像它以液態形式存在一樣，或者隨著溫度升高而呈上升趨勢（Seyfried 2007）。
虛介電常數高度依賴于溫度，并且這種依賴關系類似于體電導率的依賴關系。
測量表觀介電常數與虛介電常數
大多數土壤傳感器通過假設介電常數來測量表觀介電常數。也就是說，表觀介電常數測量值將實部和虛部介電常數混合在一起（Logsdon 2010）。這種混合測量容易出錯，因為土壤并不完全與水有關。鹽度、溫度、電導率和礦物學等其他變量可以獨立影響實部和虛部介電常數。當這些變量在測量實部和虛部介電常數時沒有獨立表征時，就會出現錯誤。“真正的電介質”僅代表水。“虛電介質”代表與水無關的其他事物。
土壤特性在空間、時間和地理位置上的可變性對每個站點評估以及站點內部和站點之間土壤條件變化的檢測提出了挑戰?？臻g變化包括景觀的水平變化和水平深度的垂直變化。這些變化是由許多因素造成的，包括礦物學、動物/昆蟲活動、風拋、枯枝落葉和木材投入、人類活動、植物、降水化學、耕作、壓實、季節性等。這些土壤變量對表觀介電常數有影響。
大多數基于通用標準（例如 NIST 可追溯標準）的傳感器沒有此類特定于站點的變化變量，并且會對虛介電常數（受此類變量影響）做出假設。為獲得最高精度，傳感器應僅根據實際介電常數進行土壤濕度校準。 
只有一種傳感器技術——同軸阻抗介電反射計——將介電常數的實部和虛部作為單獨的參數進行測量?；趯嶋H介電常數而不是表觀介電常數進行土壤水分校準有幾個優點：土壤水分校準受土壤鹽度、溫度、土壤變異性和傳感器間變異性的影響較小 。