电介质材料的介电常数及损耗的频率特性

〈二〉实验仪器
TH2816型宽频LCR数字电桥、样品
〈三〉实验原理
介电常数，又称电容率，是电位移D与电场强度E之比 = D/E ，其单位为F/m ，真空的介电常数 F/m ，而相对介电 常数为同一尺寸的电容器中充入电介质时的电容和不充入电 介质时真空下的电容之比。介电常数小的电介质，其分子为 非极性或弱极性结构，介电常数大的电介质，其分子为极性 或强极性结构。在交变电场作用下，电介质的介电常数为复 数，复介电常数的实部与上述介电常数的意义是一致的，而 虚部表示损耗。介质的介电损耗是指由于导电或交变电场中 极化弛豫过程在电介质中引起的功率损耗。这一功率损耗是 通过热耗散把电场的电能消耗掉的结果。
电介质的介电损耗一般用损耗角正切tan 表示，并定义 介质损耗的功率（即有功功率） tan 为： 。在直流电场下，电介质内只有 无功功率 泄漏电流所产生的电导损耗；但在交变电场中，除电导损耗 外还存在着各种形式的极化所产生的损耗，即松弛极化损耗。 i 此时，复介电常数 的虚部与实部的比值，即为 介电损耗值，即 δ是电 tan / ，又称介质损耗因数。 介质的电位移D由于极化弛豫而落后电场E的一个相位角。 由于介质的各种极化机构在不同的频率范围有不同的响应和 不同频率下产生不同的电导率，所以介质的介电常数和介电 损耗都是随频率的变化而变化。如不考虑边缘效应，平板试 样的电容量可用下式表示：
其所用单位d ——米， Ｃ
— pF ,
D ——米。
〈四〉操作步骤
（1）接通电源，电桥开始自检。自检结束后，面板显示：
显示A：C（电容） 显示B：D（即损耗tan） 显示C： F（显示：1.00kHz）
速度：慢（40ms A/D积分时间） 读数：直读 串联 偏置：OFF 方式：连续 量程：自动 打印：OFF （2）使用按键[显示A]、[显示B]在LCR上选择测试参数；如 果需要测量的是电容C和损耗tan，则不需要另外选择。 等待仪器损耗 的频率特性
〈一〉实验目的
〈二〉实验仪器
〈三〉实验原理
〈四〉操作步骤
〈五〉数据处理
〈一〉实验目的
1．熟练掌握MODEL TH2816型宽频LCR数字电桥的使用； 2．测量几种介质材料的介电常数 和介质损耗角正切 （tan）与频率的关系，从而了解它们的 、tan 的频 率特性。
〈五〉数据处理
1.
2. 3. 4.
由测量数据，进行转换:C→ε＇；
用origin软件绘图，绘出 ε＇~ f和 tg δ ~ f关系曲线； 对所得曲线进行分析：分析，tan与频率变化的 原因，并分析产生误差的可能性； 比较不同偏压下的ε , tg δ与频率关系曲线的异同， 并分析原因。
C
0 r s
d
(F )
(1)
式中 s —— 电极的面积，米2；d —— 介质的厚度，米；εr— — 介质材料的相对介电常数。
将ε0的值代入（1）式，得到：
100 r s C ( pF ) 3.6 d
由此得
3.6 dC r 100s
dC r 14.4 2 100 D
如果电极呈圆形，当其直径为D米时，介电常数的计算公 式如下：
（3）将被测圆形陶瓷片接在测试夹具上，并将样品由测试 架引出的两极接入LCR数字电桥。 （4）选择合适的等效方式：按“等效”键即可选择串、并 联或自动等效方式（即将被测器件看作是串联或并联的 等效方式），当选择“自动”时，仪器将自动选择。 （5）选择不同的测量频率，测出不同频率下的电容C和损 耗tg δ的值。（可设置的频率范围为：20 Hz — 150 kHz） （6）再分别将内偏调到5V, 10V重复测量。