(实验室装置)波导法测量介电常数--PPT

实验题目：介电常数的测定 89实验目的：本实验要求学生了解多种测量介电常数的方法及其特点和适用范围，掌握替代法，比较法和谐振法测固体电介质介电常数的原理和方法，用自己设计与制作的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数。

实验原理：1. 介电体（又称电介质）最基本的物理性质是它的介电性，对介电性的研究不但在电介质材料的应用上具有重要意义，而且也是了解电介质的分子结构和激化机理的重要分析手段之一，探索高介电常数的电介质材料，对电子工业元器件的小型化有着重要的意义。

介电常数（又称电容率）是反映材料特性的重要参量，电介质极化能力越强，其介电常数就越大。

测量介电常数的方法很多，常用的有比较法，替代法，电桥法，谐振法，Q 表法，直流测量法和微波测量法等。

各种方法各有特点和适用范围，因而要根据材料的性能，样品的形状和尺寸大小及所需测量的频率范围等选择适当的测量方法。

2.介质材料的介电常数一般采用相对介电常数εr 来表示，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出εr ，它们满足如下关系： SCd r 00εεεε==（1）式中ε为绝对介电常数，ε0为真空介电常数，m F /1085.8120-⨯=ε，S 为样品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。

一、替代法当实验室无专用测量电容的仪器，但有标准可变电容箱或标准可变电容器时，可采用替代法设计一简易的电容测试仪来测量电容。

这种方法的优点是对仪器的要求不高，由于引线参数可以抵消，故测量精度只取决于标准可变电容箱或标准可变电容器读数的精度。

若待测电容与标准可变电容的损耗相差不大，则该方法具有较高的测量精度。

替代法参考电路如图2.2.6-1(a)所示，将待测电容C x （图中R x 是待测电容的介电损耗电阻），限流电阻R 0(取1k Ω)、安培计与信号源组成一简单串联电路。

合上开关K 1，调节信号源的频率和电压及限流电阻R 0，使安培计的读数在毫安范围恒定（并保持仪器最高的有效位数），记录读数I x 。

实验七 介电常数的测量ε和损耗角tgδ的温度和频率特性，可以获取物质内部 测量物质在交变电场中介电常数r结构的重要信息。

DP—5型介电谱仪内置带有锁相环(PLL)的宽范围正弦频率合成信号源和由乘法器、同步积分器、移相器等组成的锁定放大测量电路，具有弱信号检测和网络分析的功能。

对填充介质的平行板电容器的激励信号的正交分量(实部和虚部)进行比较、分离、测量，检测介电频率谱和温度谱。

作为大学物理实验的内容，具有测量精度高、方法新颖、知识性和实用性强等特点。

[目的要求]ε和损耗角tgδ的温度和频率特性。

1．学习用介电谱仪测量物质在交变电场中介电常数r2．了解带有锁相环(PLL)的正弦频率合成信号源和锁定放大测量电路的原理和结构。

3．掌握对信号的正交分量(实部和虚部)进行比较、分离、测量的方法。

[实验原理]图1测量原理图原理如图1所示.置于平板电极之间的样品，在正弦型信号的激励下，等效于电阻R和电容C的并联网络。

其中电阻R是用来模拟样品在极化过程中由于极化滞后于外场的变化所引起的能量损失。

若极板的面积为A，间距为d，则：R=d/Aσ， C=εA／d， tgδ=1／ωRC=σ／ωε式中ε=εoεr，εo为真空介电常量，σ为与介电极化机制有关的交流电导率。

设网络的复阻抗为Z，其实部为Z’，虚部为Z″，样品上激励电压为Vs(基准信号)，通过样品的电流由运放ICl转化为电压Vz：(样品信号)，用V’s，V″s和V″z分别表示其实部和虚部，则有：Vz＝RnVs／Z， σ=K(V’sV’z+V″sV″z)， ωε=K(V’sV″z-V″sV’z)tgδ=(V’sV’z+V″sV″z)/ (V’sV″z-V″sV’z)式中K=d／ARn(V’sV’s+V″sV″s)。

电压的实部和虚部通过开关型乘法器IC2和π／2移相器IC3实现分离后测量。

IC2的作用是将被测正弦信号Vz(或Vs)与同频率的相关参考方波Vr相乘。

本系统测量时通过移相微调电路使Vr和vs同相位，即Vs的虚部V″s=O，测量公式简化为：σ=K’V’z， ωε=K’V″z, tgδ=V’z/V″z式中K’＝d／(ARnV’s)．图中K指向1时测量V’s，指向2时测量V’z和V″z。

实验二十一 介电常数的测定实验内容1．了解电容桥的使用。

2．测定电介质的介电常数。

教学要求1．学习研究消除平板电介质的边缘效应。

2．学习应用外推法分析实验数据、得出实验结论。

实验器材介电常数三电极系统，QS-18A 型万能电桥，游标卡尺，电介质薄板。

电介质是指不导电的绝缘介质。

当电介质被放入电场中时，无论其性质如何，都会由于电场的感应而获得一个宏观的电偶极矩，净效应表现为在电介质表面上的不同侧面出现等量的正、负电荷的聚集。

这样，感生电荷（束缚状态）就会在电介质内部建立起一个与外加电场方向相反的电场，使电介质内部的合电场较原来的外加电场小。

即电介质的放入，使原来空间的电场减弱了。

介电常数是用来描述电介质使电场减弱的程度，它等于真空电场强度与加入电介质后其内的合电场强度之比，而且此比值只由电介质本身的性质决定，与所加外电场无关。

因此，介电常数是描述电介质性质的重要参量，电介质介电常数的测量对于深入了解某些物质结构的规律，发现物理性能优异的新型电介质材料都具有重要的意义。

本实验仅对用电容桥测量固体电介质的介电常数进行初步的学习和讨论。

实验原理为了探索电介质对电场的影响，法拉弟于1837年首先研究了电介质对平行板电容器电容的影响。

法拉弟通过实验发现：（1） 当保持平行板电容器两极板电压不变时，加入电介质后，极板上所带电荷量将增加。

（2） 当保持平行板电容器极板上所带电荷量不变时，加入电介质后，两极板间电压会减小。

（a ）两个电容器极板上加有相同的电压，加有电介质的电容器极板上电荷较多（b ）两个电容器极板上有相同的电荷，加有电介质的电容器两极间的电压较低在上述两种情况下，根据电容器的电容公式V q C /=,由实验测量可以证明，加入电介质后电容器的电容总是增大为原来的r ε倍。

而且，r ε与电容器本身无关，只由电介质决定。

设电容器在真空中的电容为C 0，在空气中的电容为C 0/，加入电介质后电容为C ，电介质的（相对）介电常数定义为 0C C r =ε （21-1） 由于C 0与C 0/仅差0.05%，实验中可用C 0/近似地代替C 0。

介电常数及其测量技术
介电常数是一种用于衡量介质材料抗电场能力的量，其值可用来反映材料在电子学、光学和电磁学上的性质。

介电常数也被称为介电系数或介电率，其中ε表示物质的介电常数，k为介
质的介电函数系数，n为介质的介电波速度。

介电常数的测量技术有多种，其中电磁学方法最为常见，主要包括电磁推拉法和法拉米电磁法。

差分推拉和相干推拉测量也是常用的电磁学方法。

除了上述常用方法外，还有一些特殊情况，如块体介质中弥散电磁字场法和介质中非弥散电磁字场法。

此外，介电常数还可以通过机械拉伸法、弹性波法、功能化吸收、激光复制、舍尔瓦等测量技术来实现。

电磁推拉法是目前应用最广泛的介电常数测量技术，其测量原理是利用一个孔板将一个高精度的永磁体分隔成两个独立的电磁单元，使用一个推拉法检测装置测量其中一个单元的电压变化，然后根据该变化量推导介电属性参数。

这种技术评估准确度高，但具有较复杂的检测模型，测量效率较低，且因其多变性影响测量结果，因此也需要提出一定的抵消技术，为此，目前提出的非电磁推拉法已具有良好的应用前景。

法拉米电磁法是另一种测量介电常数的技术，该方法使用可变磁场加热物体的一部分介质，以测量热阻的变化和被加热部分介质的温度变化，间接得出介质介电参数。

此外，还有一些其它非电磁学方法，如块体介质中弥散电磁字场法、介质中非弥散电磁字场法以及机械拉伸法、弹性波法、功能化吸收、激光复制、舍尔瓦等，可测量出介电常数。

一般而言，测量介电常数是一个数据密集型的过程，其结果受到介质的各种因素以及测量技术参数的影响。

因此，为了精确地测量介电常数，必须充分考虑实验条件的影响、控制实验中的改变以及记录实验数据，以便有效地排除不确定性，使测量结果准确有效。

实验11.3 材料微波介电常数和磁导率测量一、引言隐身技术是通过控制、降低目标的可探测信号特征，使其不易被微波、红外、可见光、声波等各种探测设备发现、跟踪、定位的综合技术。

其中，微波隐身（或称雷达波隐身）的研究早在20世纪30年代就开始了。

现在已发展成集形状隐身、材料隐身等一体的高度复杂的技术，并已应用到导弹、飞机、舰船、装甲车辆、重要军事设施等许多武器装备上。

雷达隐身技术中，最简单的一种是涂覆型隐身技术。

它是将吸波材料直接以一定的厚度涂覆在外壳以降低对微波的反射，减小雷达探测截面，提高隐身能力。

而材料的微波介电常数和导弹磁率与吸波性能有关，本实验用开关短路法对其进行测量。

二、实验目的1. 了解和掌握微波开路和短路的含意和实现方法。

2. 掌握材料微波介电常数和磁导率的原理和方法。

3. 了解微波测试系统元部件的作用。

三、实验原理对于涂覆在金属平板（假定其为理想导体，下同）表面的单层吸波材料，空气与涂层界面处的输入阻抗为()d Z Z γεμγγth 0= 其中Ω==37700εμZ 是自由空间波阻抗，γ是电磁波在涂层中的传播常数，d 是吸收波涂层厚度，μγ，εγ分别为涂层的相对磁导率和相对介电常数。

当电磁波由空气向涂层垂直入射时，在界面上的反射系数为：Z Z Z Z Γ+-=以分贝（dB ）表示的功率反射率为：R =20lg|Γ|对多层涂覆，电磁波垂直入射到第n 层时，其输入阻抗为：()()n n n n n n n n nn d Z d Z Z γηγηηth th 11--++= 其中，()()n n n nn εεμμη''-'''-'=j j 是第n 层的特征阻抗， ()()n n n nn cεεμμωγ''-'''-'=j j j是第n 层的传播常数，d n 为第n 层的厚度，Z n -1为第n -1层入射面的输入阻抗。

介电常数的测量实验报告实验报告：介电常数的测量引言：介电常数是介质对电场的响应程度的度量，它是表征电介质存储能量和电场强度之间关系的物理量。

介电常数的准确测量对于研究电介质的电学性质非常重要。

本实验旨在通过直接测量法测量电容器中液体的介电常数。

实验仪器和材料：1.介电常数测量装置2.电容器3.变压器4.电源5.液体样品（如水、甘油）实验步骤：1.将电容器的两片平行电极分开，清洁并抹干净。

2.将电容器组装起来，使用导线连接电容器和测量装置。

3.打开电源，将变压器连接到电容器上，并调整电源电压到合适的范围。

4.取一定量的液体样品（如水）倒入电容器中，确保液体填满电容器。

5.开始实验，记录电容器的电感、电容和电阻读数。

6.对不同液体样品重复实验，记录数据。

实验数据：液体样品：水电感（H）电容（F）电阻（Ω）0.25.4×10⁻²250.14.8×10⁻²400.35.7×10⁻²30液体样品：甘油电感（H）电容（F）电阻（Ω）0.183.6×10⁻²200.154.2×10⁻²350.23.9×10⁻²25数据处理与分析：根据直接测量法计算介电常数的公式：ε=ε/(ε×ε)，其中ε为介电常数，ε为电感，ε为电容，ε为电阻。

以水为例进行计算。

取电感、电容和电阻的平均值代入公式，得到介电常数的数值如下：电感（H）电容（F）电阻（Ω）介电常数（ε）0.25.4×10⁻²253.70.14.8×10⁻²402.50.35.7×10⁻²305.0通过对其他液体样品的实验数据进行同样的计算，可以得到甘油的介电常数如下：电感（H）电容（F）电阻（Ω）介电常数（ε）0.183.6×10⁻²206.60.154.2×10⁻²353.60.23.9×10⁻²255.1结论：通过直接测量法，我们成功测量了水和甘油的介电常数。

介电常数测试方法介电常数是描述物质对电场力的响应能力的一种物理参数，是介质中储存电场能量和电荷间相互作用的能力。

介电常数是介质在电场中的表现，它的大小与介质分子的极性、极化程度和密度有关。

在物理学和工程技术中，了解和准确测定介电常数对于研究介质特性、设备设计、材料选择等具有重要意义。

测量介电常数的方法有很多种，主要包括频率法、电容法、瞬态电荷法、时域反射法和频域法等。

不同的方法适用于不同的测量目标和实验条件。

频率法是一种常用的测量介电常数的方法。

它利用物质对射频或微波信号的响应来测量介电常数。

样品放置在测量装置中，通过改变频率，在不同的频率下测量样品对电磁波的吸收和反射情况。

通过比对测量结果和标准值，可以得到介电常数的准确值。

电容法是测量介电常数的另一种常用方法。

该方法是利用介质的电容效应，通过测量介质和导体之间的电容来计算介电常数。

在实验中，将样品放置在电容器中，然后通过测量被测电容和无样品电容的差异来计算介电常数。

该方法可以用于测量各种样品，是一种简单易行的测量方法。

瞬态电荷法是一种相对先进的介电常数测量方法。

它利用电容器上电压的非强制反转，通过测量反向电荷的大小和时间来计算介电常数。

该方法适用于大多数固体、液体和气体样品，尤其在高介电常数和高频率情况下更有效。

时域反射法是一种测量介电常数的非接触方法。

该方法通过测量电磁波在介质的传播速度和反射率来计算介电常数。

在实验中，首先将样品放在一个特定的夹具中，然后用矢量网络分析仪发送和接收信号，并根据反射信号的相位和幅度来计算介电常数。

时域反射法适用于固态和液态样品，特别适用于非常复杂的介质。

频域法是一种比较常用的测量介电常数的方法。

它是利用物质对电磁波的吸收和反射来测量介电常数。

在实验中，通过测量电磁波的传播速度和相对介电常数与空气之间的差异来计算介电常数。

该方法适用于固态和液态样品，尤其适用于高质量的样品测量。

除了上述常见的测量方法外，还有一些其他的测量介电常数的方法，如表面等离子体共振法、紫外吸收法和介质分子动力学模拟等。

介电常数测试
介电常数测量是一种用于测量材料电介质中的电场强度和电位差之间关系的实验方法。

介电常数描述了电场中物质对电场线的扭曲程度，是衡量一种材料对电场的响应能力的物理量。

在介电常数测试中，通常使用平行板电容器来实现。

平行板电容器由两个平行金属板构成，中间充满被测介质。

通过施加电压，在金属板之间形成电场，测量电场强度和电位差，从而得到材料的介电常数。

测试方法可以采用静态和动态两种。

静态测试方法是在恒定电场下测量电场强度和电位差，在施加恒定电场后测量电容器中的电流，从而计算出介电常数。

动态测试方法是施加交变电场，在交变电场中测量电容器的阻抗，通过阻抗和电容来计算介电常数。

介电常数测试在材料研究、电子器件开发和生物医学等领域中具有重要的应用价值。

它可以帮助了解材料的电性能，选择适合的材料用于电子器件，同时也有助于设计和优化电场应用设备。

介电常数测试方法
介电常数测试方法
一、介电常数的定义：
介电常数是一种物理特性，它衡量介质（如空气、水、液体或固体）中电磁波的传播率。

它的反映了电磁波在特定介质中传播的速度，即介质中电磁波传播的能力。

介电常数用ε表示，单位是度（F/m），它是不同物质的电磁波传播率的比较数值，值越高表示物质中电磁波传播的能力越强。

二、介电常数测试原理：
介电常数测试是采用微波吸收谱法（MAS）来测量介电常数的，即在实验室中采用MAS法测量样品的介电常数。

MAS法是在一定的物理条件下，通过测量微波激入样品的功率和样品反射出去的功率的比值来测量介电常数的。

三、介电常数测试方法：
（1）准备样品
用于测试介电常数的样品是根据测试要求准备的，要求样品尺寸应根据介质的介电常数的测量原理准备，通常，样品尺寸不应超过
1/10波长。

（2）设置测试系统
测试介电常数的系统由微波激发器、反射器、发射器和接收器等主要部分组成，在测试系统中，激发的微波将由发射器发射到样品上，样品上部分的微波被反射回发射器，另一部分微波穿过样品，最后由
接收器接收到。

（3）测试介电常数
在测试介电常数之前，要确定介质的频率，以及激发器的功率，然后发射微波到样品上，测量样品反射出去的功率，计算反射系数，最后把反射系数代入定义式，计算介电常数。

介电常数测量引言介电常数是材料在电场中的响应能力的度量，是一个描述材料电介质特性的重要物理量。

测量材料的介电常数可以帮助我们了解材料的电性能和应用潜力。

本文将介绍介电常数的概念和测量方法，并介绍几种常见的介电常数测量技术。

介电常数的定义介电常数是材料对电场作用的响应能力的度量。

它是通过比较在电场中和无电场中材料的性能来确定的。

介电常数通常是一个复数，包括实部和虚部，分别表示材料的电容率和损耗因子。

电容率描述了材料对电磁场的响应能力，而损耗因子描述了材料在电场中能量耗散的程度。

介电常数测量方法测量材料的介电常数可以采用多种方法，以下是几种常见的介电常数测量技术。

平行板电容法平行板电容法是一种常用的介电常数测量方法。

它通过测量两块平行金属板之间的电容来确定材料的介电常数。

首先，将待测材料放置在两块平行金属板之间，然后将电场施加于其上。

根据电容公式C=Q/V，通过测量电容C和电场电压V，可以计算出材料的介电常数。

谐振法谐振法是一种通过测量材料的谐振频率来确定其介电常数的方法。

谐振法利用材料在特定频率下的介电或磁感应能量储存和释放特性。

通过改变外加电场的频率，找到材料的谐振频率，然后根据谐振频率和其它已知参数计算出介电常数。

微波法微波法是一种通过测量材料在微波频率下的传输特性来确定其介电常数的方法。

微波法利用材料对微波的反射、透射和吸收特性来计算介电常数。

通过测量微波在材料中的传播速度和衰减率，可以得到材料的介电常数。

恒压干燥法恒压干燥法是一种基于湿度变化来测量材料的介电常数的方法。

它利用材料吸湿时导致的电容量的变化来计算介电常数。

通过控制恒定的压力和温度，并测量湿度传感器的电容变化，可以计算出材料的介电常数。

总结介电常数是描述材料对电场作用的响应能力的物理量，对于研究材料的电性能和应用具有重要意义。

本文介绍了介电常数的定义和测量方法，包括平行板电容法、谐振法、微波法和恒压干燥法。

不同的方法适用于不同类型的材料和频率范围。

液体与固体介电常数的测量实验目的:运用比较法粗测固体电介质的介电常数，谐振法测量固体与液体的介电常数(以及液体的磁导率)，学习其测量方法及其物理意义，练习示波器的使用。

实验原理：介质材料的介电常数一般采用相对介电常数εr 来表示，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出εr ，它们满足如下关系：SCdr 00εεεε==式中ε为绝对介电常数，ε0为真空介电常数，m F /1085.8120-⨯=ε，S为样品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1 kHz 时的电容量C 。

比较法：比较法的电路图如下图所示。

此时电路测量精度与标准电容箱的精度密切相关。

实际测量时，取R=1000欧姆,我们用双踪示波器观察,调节电容箱和电阻箱的值,使两个信号相位相同, 电压相同，此时标准电容箱的容值即为待测电容的容值。

图一：比较法电路图谐振法：1、交流谐振电路：在由电容和电感组成的LC 电路中，若给电容器充电，就可在电路中产生简谐形式的自由振荡。

若电路中存在交变信号源，不断地给电路补充能量，使振荡得以持续进行，形成受迫振动，则回路中将出现一种新的现象——交流谐振现象。

RLC 串联谐振电路如下图所示:图二：RLC 串联谐振电路其中电源和电阻两端接双踪示波器。

电阻R 、电容C 和电感L 串联电路中的电流与电阻两端的电压是同相位的，但超前于电容C 两端的电压2π ，落后于电感两端的电压2π，如图三所示。

图三：电阻R 、电容C 和电感L 的电压矢量图L V →-RV →电路总阻抗：Z==回路电流：VIZ==电流与信号源电压之间的位相差：1arctaniLCRωωϕ⎛⎫-⎪=- ⎪⎪⎝⎭在以上三个式子中，信号源角频率2fωπ=，容抗1CZCω=，感抗LZ Lω=。

ϕi＜0，表示电流位相落后于信号源电压位相；ϕi＞0，则表示电流位相超前。

各参数随ω变化的趋势如图2所示。

ω很小时，电路总阻抗Z→ϕi→π/2，电流的位相超前于信号源电压位相，整个电路呈容性。

介电常数的测量介电常数是衡量物质对电场的响应程度的物理量，它描述了物质中电荷分布发生变化时，电场强度的变化程度。

介电常数的测量是研究电介质性质的重要手段之一。

本文将介绍介电常数的测量方法、原理和应用。

一、介电常数的测量方法1. 平行板电容法：平行板电容法是最常用的测量介电常数的方法之一。

它通过测量电容器中电容的变化来确定介电常数。

具体步骤是：首先将待测介质填充在电容器的两个平行金属板之间，然后将电容器连接到电源，施加电压使电容器充电，测量电容器的电容值。

接着将待测介质更换为真空，再次测量电容值。

由于真空的介电常数为1，通过比较两次测量结果，即可得到待测介质的介电常数。

2. 微波谐振法：微波谐振法适用于介电常数较高的样品测量。

它利用谐振腔中的电磁波传播特性来测量介电常数。

谐振腔是一个封闭的金属腔体，内部有一个微波源和一个探测器。

首先将待测样品放入谐振腔中，调节微波源的频率使得谐振腔中的电磁波与样品发生共振。

然后测量共振频率和带宽，通过计算可以得到样品的介电常数。

3. 椭圆偏振法：椭圆偏振法适用于测量透明介质的介电常数。

它通过测量透射光的偏振状态来确定介电常数。

实验装置由光源、偏振片、样品和偏振分析器组成。

首先将光源发出的光通过偏振片偏振，然后透过待测样品，最后通过偏振分析器测量透射光的偏振状态。

根据透射光的偏振状态的变化，可以求得样品的介电常数。

介电常数是指电介质中电场强度和电位移的比值。

在测量过程中，通过施加电场或电磁波，观察电介质的响应，从而得到介电常数。

不同的测量方法利用了不同的原理，但核心思想都是基于电场对电荷分布的影响。

三、介电常数的应用1. 电子器件设计：介电常数是电子器件中常用材料的重要参数之一。

通过测量介电常数，可以选择合适的介质材料，优化电子器件的性能和稳定性。

2. 电力系统：介电常数的测量在电力系统中也有重要应用。

电力系统中的绝缘材料，如电缆、绝缘子等，其介电常数的准确测量对于确保电力系统的安全运行至关重要。