材料介电常数的测试和分析

1、材料介电常数的测试和分析一、实验目的：1. 理解介电常数的物理意义和测试原理。2. 掌握固体介质相对介电常数的测定方法。3. 掌握液体介质相对介电常数的测定方法。二、实验原理：从基础电学我们已经知道，一个平板电容器的容量C与平板的面积A成正比，而与板间的距离d成反比。这里的比例常数称为静态介电常数。写成 （1）根据C=Q/V 可知，如果在电容器两极板间放入电介质，则这个电容器的电容就要增加。带有电介质的电容C与不带有电介质（真空）的电容C0之比称为介质的相对介电常数，表示为 （2）因此，式（2）可以写成 （3）称为真空介电常数。它们都是无量纲的正数，反映了电介质材料在静电场中的极化特性。用于衡

2、量绝缘体储存电能的性能，代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力。1. 固体介质相对介电常数的测定D万用电桥D万用电桥t （a） (b)图1 平行板电容器系统如图1（a）所示，有一平行电容板，放置于空气中，设其上下电极的面积均为S，电极间的距离为D，测得其电容量为C1；如图（b）所示，在电容器两极板间放置一块面积为S，厚度为t的固体电介质，保持两极板间的距离不变，测出有介质时的电容量为C2，分析可得 （4） （5）其中，C边缘为电介质样品以外的边缘电极间的电容量，C分布为测量系统所含有的分布电容（） （6）式中，为待测介质的相对介电常数，在测量过程中，只要保持电容电极间距离不变，则在测量

3、C1和C2的过程中，C边缘和C分布均不变，因此由（4），（5）两式得（7）（8）和由两次测量可以获得，由式（6）可解得（9）至此，通过测量和计算，可得固体介质的相对介电常数。. 用频率法测定液体介质相对介电常数实验原理如图2所示，所用仪器有介电常数测试仪，外接液体测试槽，示波器。液体测试槽中已装有空气电容器（两个槽中为不同容量的空气电容器）。其原理为：我们知道RC振荡器频率为，或（令），若电阻R不变，频率f随电容容量C的变化而变化，同样因测量系统有分布电容C分布，则C=C0+C分布介电常数测试仪示波器C02 C01 C02 C01 图2 液体介质测试装置当介质为空气时，将电容器C1接入，设其电

4、容量及相应的振荡频率分别为C01及f01，则 （10）当C1断开，接入C2，设其电容器及振荡频率分别为C02及f02，则 （11）式（11）减式（10）得到 （12）当介质为液体时，有 （13）式中，为待测液体相对介电常数，将式（13）除以（12）得 （14）所以只要分别测出空气和液体为介质时的f01，f02，f1，f2即可由式（14）算出。三、实验仪器：1. 介电常数测量仪 1台（套）2. （交流）万用电桥 1台3. 示波器 1台4. 烧杯500CC 3个5. 待测固体介质6. 待测液体介质7. 螺旋测微仪 1个四、实验步骤：1. 用电桥法测定固体介质的相对介电常数（1）按图1所示接好线路，

5、测出以空气为介质时平行板电容器的电容量C1。（2）将待测样品完全放入平行板电容器内，测出有介质时平行板电容器的电容量C2。（3）测出待测样品的厚度t、上表面面积S、平行板电容器的极间距离D，由公式（5）、（6）算出电介质的相对介电常数。2. 用频率法测定液体介质的相对介电常数（1） 按图2所示接好线路，分别测出两只不同容量的空气电容器接入时所对应的振荡频率f01，f02。（2） 将液体介质倒入烧杯中，并浸没电容器，分别测出两只不同容量电容器接入时所对应的振荡频率f1，f2。（3） 用公式（11）计算液体介质的相对介电常数。3. 待测数据实验号DtSC0C1C2固体介质1固体介质2固体介质3实验

6、号f01f02f1f2液体介质1液体介质2注意：（1） 用电桥法测定固体介电常数时测微系统应避免有杂质存在。（2） 用电桥法测定固体介电常数时，手要尽量不在样品周围晃动，以免有感应影响测量结果。（3） 本实验所提供的塑料电容器可用于电容器油和变压器油两种介质的分组实验。（4） 每次测完一组液体介电常数时，都要把塑料电容器擦拭干净，以免影响下一组数据的测量。五、思考题：1. 在测量固体、液体电介质的相对介电常数的过程中，能否移动或接触测量导线？为什么？2. 对于厚度均匀，而形状不规则的固体样品，能否用本实验中的电桥法测试其相对介电常数？1.答：在测量固体、液体电介质的相对介电常数的过程中，尽量不要移动或接触测量接线，这样才能消除分布电容对测量结果的影响。3. 答：从电桥法的实验原理