(实验室装置)波导法测量介电常数--PPT

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。

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。

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。

物理实验技术中的介电常数测量使用方法引言:在物理实验中，介电常数是一个重要的物理参数。

介电常数描述了介质对电场的响应性质，是评价介质电绝缘性能的指标之一。

本文将介绍一些常见的测量介电常数的方法和使用技巧。

一、电容法测量介电常数:电容法是最常见的介电常数测量方法之一。

该方法是通过测量被测材料构成的电容器的电容值来获得介电常数。

具体实验步骤如下：1. 准备两块平行金属板，将被测材料放置在两板之间。

2. 将平行板电容器连接到电源和电容计上。

3. 调节电压使电容器达到稳态，记录下电容计的读数。

4. 将被测材料更换为真空介质，重复步骤3。

5. 根据所测得的电容值和真空电容值，计算出被测材料的介电常数。

二、恒电流法测量介电常数:恒电流法是另一种常用的介电常数测量方法。

该方法通过在被测材料上施加一个恒定的电压，然后测量通过材料的电流来确定介电常数。

具体实验步骤如下：1. 准备一块被测材料的样品。

2. 将样品放置在电流计回路中，施加一个恒定电压。

3. 测量通过样品的电流。

4. 根据实际电流和所施加电压，计算出被测材料的介电常数。

三、微波法测量介电常数:微波法是一种无线电波测量介电常数的方法。

该方法使用微波源和探测器来测量介质的透射和反射特性，并根据这些特性来计算介电常数。

具体实验步骤如下：1. 设置微波源和探测器，使它们相对于被测样品呈一定的几何关系。

2. 发射微波信号，并观察被测样品的透射和反射特性。

3. 根据透射和反射特性计算出被测样品的介电常数。

四、离子迁移法测量介电常数:离子迁移法是一种特殊的介电常数测量方法，适用于液态介质。

该方法通过测量电离物质在介质中的迁移速度和电场强度来确定介电常数。

具体实验步骤如下：1. 在被测介质中加入适量的电离物质。

2. 在介质中施加一个电场，并观察电离物质的迁移速度。

3. 根据迁移速度和电场强度计算出介质的介电常数。

结论:通过以上介绍的几种测量介电常数的方法，我们可以在实验中根据具体情况选择适合的方法来测量介电常数。

介电常数的测定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解质材料的应用上具有重要意义，而且是了解电解质的分子结构和极化机理的重要手段之一。

本实验用几种不同的方法测量电解质的介电常数。

㈠，实验目的通过实验加深对介电常数的理解，掌握测量介电常数的方法和特点。

㈡，实验原理电介质是一种不导电的绝缘介质，在电场的作用下会产生极化现象。

对于均匀电介质，极化使得电介质表面产生感应电荷，成为束缚电荷，由此，在电解质内部形成附加电场。

例如，在极板面积为S,极板间距离为d(S>> d2)的平行板电容器中充满均匀电介质后，其电容量为Q芸危 CU Ed d r 0⑴其中，；r称为电介质的相对介电常数，相对介电常数、和真空介电常数% [=8.854 X i012F/m]的乘积成为电介质的介电常数，用£表示, 即0 r (2)由(1)知，平板电容器充满均匀电介质后，其电容量为真空电容C。

的\ 倍。

因此，若能分别测出电容器在填充电介质前、后的电容量，可根据(1)推算出该介质的介电常数。

C o 1. 电桥法用电桥测得以空气为电介质时的电容量为C o C t(3)其中C o为真空电容量，值为o S d⑷填充截面积为S,厚度为t的待测电介质后电极的电容量为C C t(5)C为填充介质后的电容量，其值为S0 r S心一t) (6)(3)和(5)中的C「为边缘效应产生的电容和测量系统所有的分布电容的总和，只要在测量过程中保持测量状态不变，则则在两次测量中C t值相同。

因此由(3)和(5)得C = C2 _ C1 C o (7)根据（6）,得原理图:图(1)（C2 - G 呼）t— dV — ------------------------------------------------------------------------------------r nS°S （C2。

十）（d t）⑶d测虽出C.C2,d,t,S即可得到待测电介质的相对介电常数M2. 线性回归法测空气介电常数和分布电容空气介电常数近似为真空介电常数％ ,在平行板电容器中，S0为极板面积，D为极板间距，则系统电容量为：c =罕+C分D1C=y, D =x令所以：y = a . bx其中，a=C分,b= o S o回归计算得：截距a,斜率b,相关系数r,截距标准偏差S a ,斜率标准偏差So得：（’分3,3. 频率法测定液体电介质的相对介电常数所用电极是两个容量不相等并组合在一起的空气电容，电极在空接入电路中。