實(shí)驗(yàn)二十一介電常數(shù)的測(cè)定

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1、實(shí)驗(yàn)二十一介電常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．了解電容橋的使用。2．測(cè)定電介質(zhì)的介電常數(shù)。教學(xué)要求1．學(xué)習(xí)研究消除平板電介質(zhì)的邊緣效應(yīng)。2．學(xué)習(xí)應(yīng)用外推法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)器材介電常數(shù)三電極系統(tǒng)，QS-18A型萬(wàn)能電橋，游標(biāo)卡尺，電介質(zhì)薄板。電介質(zhì)是指不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)。當(dāng)電介質(zhì)被放入電場(chǎng)中時(shí)，無(wú)論其性質(zhì)如何，都會(huì)由于電場(chǎng)的感應(yīng)而獲得一個(gè)宏觀的電偶極矩，凈效應(yīng)表現(xiàn)為在電介質(zhì)表面上的不同側(cè)面出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷的聚集。這樣，感生電荷（束縛狀態(tài)）就會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)部建立起一個(gè)與外加電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，使電介質(zhì)內(nèi)部的合電場(chǎng)較原來(lái)的外加電場(chǎng)小。即

2、電介質(zhì)的放入，使原來(lái)空間的電場(chǎng)減弱了。介電常數(shù)是用來(lái)描述電介質(zhì)使電場(chǎng)減弱的程度，它等于真空電場(chǎng)強(qiáng)度與加入電介質(zhì)后其內(nèi)的合電場(chǎng)強(qiáng)度之比，而且此比值只由電介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，與所加外電場(chǎng)無(wú)關(guān)。因此，介電常數(shù)是描述電介質(zhì)性質(zhì)的重要參量，電介質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量對(duì)于深入了解某些物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)物理性能優(yōu)異的新型電介質(zhì)材料都具有重要的意義。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)用電容橋測(cè)量固體電介質(zhì)的介電常數(shù)進(jìn)行初步的學(xué)習(xí)和討論。實(shí)驗(yàn)原理為了探索電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響，法拉弟于1837年首先研究了電介質(zhì)對(duì)平行板電容器電容的影響。法拉弟通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1）當(dāng)保持平行板電容器兩極板

3、電壓不變時(shí)，加入電介質(zhì)后，極板上所帶電荷量將增加。（2）當(dāng)保持平行板電容器極板上所帶電荷量不變時(shí)，加入電介質(zhì)后，兩極板間電壓會(huì)減小。（a）兩個(gè)電容器極板上加有相同的電壓，加有電介質(zhì)的電容器極板上電荷較多（b）兩個(gè)電容器極板上有相同的電荷，加有電介質(zhì)的電容器兩極間的電壓較低在上述兩種情況下，根據(jù)電容器的電容公式,由實(shí)驗(yàn)測(cè)量可以證明，加入電介質(zhì)后電容器的電容總是增大為原來(lái)的倍。而且，與電容器本身無(wú)關(guān)，只由電介質(zhì)決定。設(shè)電容器在真空中的電容為C0，在空氣中的電容為C0，加入電介質(zhì)后電容為C，電介質(zhì)的（相對(duì)）介電常數(shù)定義為（21-1）由于C0與

4、C0僅差0.05%，實(shí)驗(yàn)中可用C0近似地代替C0。若電容器為圓形平行板電容器，d為被測(cè)電介質(zhì)圓板的厚度，D為測(cè)量電極的直徑，當(dāng)d<

5、電荷密度，所以電容器極板棱邊附近處的電場(chǎng)強(qiáng)度大于其表面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。這種電場(chǎng)強(qiáng)度的分布不均勻性造成了電容器極板邊緣處的電場(chǎng)分布相對(duì)于極板正對(duì)表面間的電場(chǎng)分場(chǎng)的畸變，形成電容器的邊緣效應(yīng)。平板電容器，d越大，邊緣附近電力線彎曲越嚴(yán)重，邊緣效應(yīng)越顯著。邊緣效應(yīng)可以用保護(hù)電極來(lái)消除。保護(hù)電極環(huán)繞在測(cè)量電極周圍，當(dāng)保護(hù)電極的電位與測(cè)量電極電位相等時(shí)，測(cè)量電極邊緣處畸變分布的電力線被壓回到電容器內(nèi)部而變得與極板表面近似垂直，原畸變的電場(chǎng)被排斥到了保護(hù)電極的外棱邊處，從而使得測(cè)量電極處的整個(gè)電場(chǎng)比較均勻，故可減小測(cè)量誤差。當(dāng)保護(hù)電極與測(cè)量電極之間

6、的間隙越小時(shí)，理論誤差也越小。實(shí)驗(yàn)的測(cè)量裝置系統(tǒng)共有三個(gè)電極，即高電位電極，測(cè)量電位和保護(hù)電極。用電極裝置和萬(wàn)用電橋即可測(cè)量不同平板狀固體材料和絕緣液體的介電常數(shù)。操作步驟1．測(cè)量介質(zhì)板的厚度d，并將其裝入三電極系統(tǒng)。2．測(cè)量三電極系統(tǒng)的測(cè)量電極的直徑D.3．根據(jù)圖21-4和圖21-5（見附錄）連接好萬(wàn)用電橋與三電極系統(tǒng)的高電位電極和測(cè)量電極，測(cè)出其電容C。4．接上保護(hù)電極后，再測(cè)出其電容值C，比較C與C，了解邊緣效應(yīng)的影響。5．依次換上不同厚度的同種電介質(zhì)板，測(cè)量其電容值，計(jì)算其介電常數(shù)εr。6．在坐標(biāo)紙上作出εr-d曲線，用外推法找

7、出d→0時(shí)的εr。注意事項(xiàng)1．保護(hù)電極與測(cè)量電極不能直接用導(dǎo)線相連，或接在同一個(gè)電位接線柱上（即不能讓兩電極的電位完全相同）。否則，保護(hù)電極將失去作用。2．被測(cè)電介質(zhì)表面一般不十分平整，兩個(gè)表面的平行度也不是很理想的，為了消除其對(duì)測(cè)量的影響，可以在被測(cè)介質(zhì)表面鍍金屬膜或鋪金屬箔使之平整。問(wèn)題討論1．實(shí)驗(yàn)裝置中三個(gè)電極的作用是什么？有何特點(diǎn)？2．為什么保護(hù)電極與測(cè)量電極不能直接相連？3．外推法在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用有何意義？簡(jiǎn)述其應(yīng)用條件和方法？附錄一、真空介電常數(shù)8.85×10-12C2?N-1?m-2二、幾種常見電介質(zhì)的（相對(duì)）介電常數(shù)ε

8、r電介質(zhì)空氣水云母玻璃紙聚乙烯聚四氟乙烯εr1.0005783.7-7.55-103.52.32.0-2.22/2