电介质实验讲义.doc

I 电介质物理 实验指导书 电介质实验指导书 1 电介质材料击穿测试与分析电介质材料击穿测试与分析 一 实验目的一 实验目的 1 掌握耐压测试仪的使用方法 2 电子元件 介质材料的耐压和击穿实验的基本方法 二 实验仪器二 实验仪器 CY2671 万能击穿装置 介质测量夹具 纸介 或其它介质 材料 三 实验原理三 实验原理 通常情况下介质材料是绝缘体 其中总是回含少量的杂质或缺陷 这些杂质或缺陷平常释 放的电子很少 当外界的所加的电场较小时 电介质的电子电流很微弱 保持其绝缘性 而当 所加电场很强且超过某一临界值时 这些少量的电子被加速 一较大的能量 动能形式 撞击 介质中比的电子或离子 使其离化出电子 被离化出的电子被加速 又去撞击别的电子或离子 进一步离化出新的电子 形成雪崩效应 使电介质中的电流急剧 增大 这即是电介质击穿的 大致形式 击穿实验是在一定条件下逐步提高加在式样上的电压 直到式样发生击穿破坏了为止 实 验手段 根据实验测得击穿电压 对元件 或击穿场强 对材料 作为研究介质材料性能 评定其性能的重要参数 也是对元件结构设计的重要依据 五 基本实验步骤五 基本实验步骤 1 将带手枪插头的测试线插入安全门内的插孔 交流输出在左 直流在右 2 测试线端 鳄鱼头 和地线端分别接到测试样品的夹具两端 3 关好安全门 打开电源至通位置 绿色指示灯亮 4 预热十五分钟后 将测试 1 校准拨动开关至 校准 电压表指向满刻度 电流表应指向 1MA 附近处 可用小螺丝刀调节 电流 电压 字样孔的电位器使之满足 5 测试 1 校准向 测试 确认样品已放入夹具内 6 漏电流选择 漏电范围 分别为 1ma 和 1ma 量程至适当位置 7 输出电压调节 逆时针使劲旋到头 可听到继电器合匝声 随之绿灯熄灭 红灯发亮 表 示可以施加高压 8 调节 输出电压调节 顺时针旋转 即有高压输出 并可在电压表中读出所加高压的数值 9 每种材料测 5 次 求其平均击穿电压 注意事项 1 每测一次要换一下电容纸的位置 防止测量不准 2 在进行耐压实验时 若达到预定电流值这为击穿电压 电介质实验指导书 2 四 实验数据及分析四 实验数据及分析 1 实验数据 次数 材料 12345 2 实验分析 备注 参考击穿电压值 材料直流 v 交流 v 纸介400340 涤纶介5001700 电介质实验指导书 3 电介质材料介电系数和损耗角正切的频率特性测试电介质材料介电系数和损耗角正切的频率特性测试 一 实验目的 1 掌握高频 Q 表仪器的使用方法及工作原理 2 掌握介质材料的介电系数和损耗角随频率变化的特征 二 实验仪器二 实验仪器 高频 Q 表 QBG 3B 标准电感 测试夹具 待测样品 三 实验原理三 实验原理 用来制造电容器的介质材料很多 有无机介质材料和有机介质材料之分 介电系数和耗 损角正切是介质材料的两个重要系数 也是衡量其他电容性能的基本尺度 并直接影响到产品 的质量 因此 了解介质材料的性能对进一步研究新材料 新工艺 对电容的发展具有实际的 意义 测量介质材料的介电系数通常是将该材料做成试样 测量其电容量 然后经过计算得到 和 tg 的值 从电介质物理可知 一定形状和大小的试样 其电容量与材料的介电系数成 正比 介质材料的介电系数 可用填充介质材料的电容量与同样尺寸的真空介质材料的电容量 C0之比来表示 即 C C0 对平板试样 电介质材料的介电系数 可由公式求得 A Ch 036 0 其中平板试样电容C C的单位为 pF F A A的单位为 h h的单位为m m 对于式样是圆形平板时 4 2 DA 则 2 144 0 D hC 1 上面的计算公式均未考虑电极边缘电场的畸变效应 否则需 要修正 另外 电场作用下的电介质并不是纯电容 它存在着等 效的电阻 即存在着介电损耗 等效为损耗电阻 在交变电场作 用下 通过介质的电流矢量之间有一定夹角 正如实验一所提 到的此角即为介质损耗角 愈大 损耗分量愈大 即电容器 或介质材料的损耗大 通常用介质损耗角 的正切 tg 来表示 本实验利用高频 Q 表测量试样的电容量 测试原理图如右图所示 将被测电容器或介质材料式样并联与标准可调谐电容器上 当不接式样时 选择适当频率 接入相应的标准线圈 改变调谐电容 使回路发生谐振 此时调谐电容为 C1 Q 值读数为 Q1 接入式样时 减小调谐电容 使回路重新恢复谐振 此时调谐电容为 C2 Q 值为 Q2 因 为 电介质实验指导书 4 L C 2 1 1 LL RCRRC Q 102 1 1 1 而 L CC x 2 2 1 1 2 2 sLx RRCC Q 则 L CCC x 2 21 1 所以 21 CCCx 式中 s R 可从图所示等值变换计算确定 因为 1 1 1 2 x Q s CCj R Cj R 即 Q s xx x Cj R RCCj R 1 1 2 则 Q s sxx xxx C jR RCC RCCjR 1 1 22 2 2 2 2 根据实部相等 得 2 22 1 2 2 1 22 1 2 2 1 1 1 1 CRC RC RC RC C x x x x Q 所以 xQ CCCC 21 而 x sL RCQ RCRC Q 11 11 2 111 则 121 111 QQC C RC x xx 电介质实验指导书 5 所以 11 2121 211 12 1 CCQQ QQC QQC C tg x x 2 实验时将一个标准电容与被测样品并联 固定发生器频率 分别在接入样品和不接样品的 两种情况 改变电容器的数值使之发生谐振 两次测量的容量差值就是待测电容 x C 也就是公 式 1 中的 C 设第一次不接 x C时谐振电容为 1 C 谐振频率 1 f 第二次插入 x C改变谐振 电容器的电容 谐振频率仍为 1 f 使电路从新起振此时电容值为 2 C由于 1 f不变 所以 21 CCCx 四 实验步骤四 实验步骤 1 打开高频 Q 表电源 预热 30 分钟以后方能进行测量 2 短接 x L的两端 对 Q 表调零 3 选择一适当电感接到 LX两端 4 将微调电容器调至零 主调电容器调到较大的容量 令这个电容值为 1 C 若未知电容数值 较小 1 C调到较小的电容值附近 5 调节信号源的频率f 使测试回路谐振 也就是 Q 达到最大值 记录频率f 此时的 Q记 为Q1 6 将被测电容接在 x C的两端 保持f不便 重复步骤 3 调节 此时的 Q记为Q2 7 利用公式 1 公式 2 计算频率f 时的Cx tan 8 改变标准电感线圈根据 L 的值对照选择测试频率重复步骤 1 2 3 4 如此反复对每个波 段测量一组值 共测六组 五 实验要求五 实验要求 1 测量不同波段的频率f 1 C 2 C 1 Q 2 Q 2 计算不同频率f的 tan 列表并做出f f tan曲线 3 分析数据 完成实验报告 注意 1 调节振荡频率和电容量时 特别注意当刻度调整到最大或最小时 不要用力继续再调 2 手不得靠近测试件 以免人体感应造成测量误差 电介质实验指导书 6 六 实验数据与分析六 实验数据与分析 1 实验数据 C1C2Q1Q2 tan 2 绘制曲线 电介质实验指导书 7 电介质介电常数和损耗角正切的温度特性测试电介质介电常数和损耗角正切的温度特性测试 一 实验目的一 实验目的 1 了解有机 无机电介质材料的 tan随温度的变化规律 2 掌握用RLC测试材料电容C和 tan的方法 3 研究介质材料的 和 tan随温度变化的特性 二 实验原理二 实验原理 介电常数 和介质损耗角正切 tan是电容器和电介质材料特性的两个重要参数 正确测 量 和 tan及其温度特性具有重要意义 同时通过测量这些参数来揭示材料内部的结构和机 理 对研究新材料也有重要意义 测量介电材料的介电系数 通常是将该材料做成电容式样 测量其电容值 然后经过计算 而确定 从电介质物理可知 一定形状和大小的式样 其电容量与材料的相对介电常数成正比 介电材料的相对介电常数 可以用填充介质材料的电容量C与同样尺寸的真空电容器的电容量 0 C 或称几何电容 之比值来表示 即 0 C C 对于平板式样 其几何电容 0 C为 h A C 0 0 式中 A 式样的面积 2 m H 式样的厚度 m 0 真空介电系数 mF 由于 1085 8 1094 1 12 9 0 mF 因此 平板式样的相对介电系数为 电介质实验指导书 8 A Ch A Ch hA C C C 9 000 1036 若平板式样的电容C为批 pF 上式变为 A Ch 036 0 对于式样是圆形平板时 4 2 DA 则 2 144 0 D hC 式中 D 式样电极的直径 m 其余符号意义同上 对于园环试样 4 2 2 2 1 DDA 2 2 2 1 144 0 DD hC 1 D 2 D 分别对应于园环的外直径与内径 m 对于管形试样 同样可以推出相应的计算公式 2 1 0 ln018 0 D D L C C C 式中 L 电极的长度 m 1 D 2 D 分别对应于园管的外直径与内径 m C 管形式样的电容量 pF 上面的计算公式均未考虑电极边缘电场的畸变效应 若考虑这些边缘效应 必须对计算公 式作出修正 在电场作用下 电容器或电介质材料内总要消耗一定的功率 也就是说 电容器或者由电 介质材料作为电容试样并不是纯电容 它存在着等效的损耗电阻 因此 有损耗的电容器和介 质材料试样 可用并联等值电路或串联等值电路来表示 如图 1 所示 当在交流电场作用下 通过电容器或介质材料的电流 或两端的电压 矢量和容性电流 或容性电压 矢量之间有一 夹角 通常把此角称为介质损耗角 从图中可以看出 愈大 损耗分量愈大 即电容器 或介质材料的损耗大 通常用介质损耗角 的正切 tg 来表示 显然 对于并联 xxx x x x RCC G CU UG tg 1 电介质实验指导书 9 对于串联 ss s s RC CI IR tg 它们都等于有功功率与无功功率的比值 电容器或介质材料试样的损耗电功率为 xx x x tgCU R U GUP 2 2 2 或者 x x ss s s s tg tg CUR C R U RIP 2 2 22 2 2 2 1 1 这里必须指出的是 所谓等效电路是指对外电路等效的 也就是指 tan而言的 因此 在计算 tan时 并联等值电路和串联等值电路均可以应用 而且结果是一样的 但是并联电 容并不等于串联电容 作为电容器 电解电容器除外 或介质材料的损耗都很小 一般均采用 并联等效电容来表征电容器或介质材料试样的电容 这样更直观反映电容器或介质材料的实际 情况 因此 在计算样品的 时 必须用并联等值电容来计算 如果测得的是串联等值电容 Cs 必须换算成并联等值电容 Cx 并联等值电容 Cx 与串联等值电容很容易推得下面关系 电介质实验指导书 10 x s x tg C CC 2 1 并 x s x tg tgR RR 2 2 1 并 如果 tg x 0 1 时 则 tg2 x 0 01 可以近似认为 Cx Cs 其结果所造成的误差不大于 1 为了衡量电容器的电容量对温度的稳定性 人们引入了电容器温度系数这一概念 电容器 温度系数定义为 dT dh hdT dA AdT d dt dc c a r r c 1111 即温度变化一度时 电容量的相对变化率 由上式可以看到 影响电容器电容量的温度稳 定性的因素除与金属电极 极板距离有关外 主要取决于电容器所用的电介质材料 上式第一 项 dT d r r 1 与电容温度系数的定义具有相同的形式 所以定义温度变化一度时 介电系数的相 对变化率为介电系数的温度系数 即 dT d a r r 1 dT d a tan tan 1 tan 本实验通过确定不同温度下被测介质材料试样的 x C 计算出各个温度下的 x 并计算 a tan a 三 实验仪器和材料三 实验仪器和材料 1 仪器 LCR测试仪 LCR 815B 直流电源 SS1792 电炉 温度计 测试夹具 2 材料 皮革 纸 陶瓷等 四 实验步骤四 实验步骤 1 用游标卡尺测量电极的几何尺寸 用千分尺测量实验样品的厚度 把待测样品 按要 求夹在电极之间 组成一个电容器 2 打开 LCRLCR 测试仪电源 预热 5 分钟 3 选择 LCRLCR 测试仪电容测量功能 4 选择 LCRLCR 测试仪并联电路模型 5 打开直流电源 电炉通电 对待测样品加热 电介质实验指导书 11 6 利用温度计测量待测样品温度 T 的变化 同时记录在不同温度下的xC tg 的具体 数据 本实验从 30 开始测量 直到 100 为止 每隔 5 记录一组数据 LCRLCR 测试仪的读数 D 就是 tan 7 关闭直流电源 LCRLCR 测试仪电源 五 实验要求五 实验要求 1 测量电极的几何尺寸 实验样品的厚度并列表 a 根据测量的xC计算出相应的温度下的 x 列表并做出T x T tan曲线 b 根据T x T tan曲线 求出 x tan的温度系数 c 分析数据 完成实验报告 电介质实验指导书 12 电介质导电特性测试电介质导电特性测试 预习报告 预习报告 一 实验目的一 实验目的 1 掌握光电检流计的使用方法 2 掌握测量电介质材料电阻的基本方法 3 研究影响介质材料电导率的基本因素 二 实验仪器二 实验仪器 1 仪器 灵敏检流计 电流表