實(shí)驗(yàn)二十一介電常數(shù)的測定

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1、實(shí)驗(yàn)二十一介電常數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．了解電容橋的使用。2．測定電介質(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)被放入電場中時，無論其性質(zhì)如何，都會由于電場的感應(yīng)而獲得一個宏觀的電偶極矩，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)）就會在電介質(zhì)內(nèi)部建立起一個與外加電場方向相反的電場，使電介質(zhì)內(nèi)部的合電場較原來的外加電場小。即

2、電介質(zhì)的放入，使原來空間的電場減弱了。介電常數(shù)是用來描述電介質(zhì)使電場減弱的程度，它等于真空電場強(qiáng)度與加入電介質(zhì)后其內(nèi)的合電場強(qiáng)度之比，而且此比值只由電介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，與所加外電場無關(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)的測量對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)僅對用電容橋測量固體電介質(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)對電場的影響，法拉弟于1837年首先研究了電介質(zhì)對平行板電容器電容的影響。法拉弟通過實(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，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，加入電介質(zhì)后，兩極板間電壓會減小。（a）兩個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的倍。而且，與電容器本身無關(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）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為被測電介質(zhì)圓板的厚度，D為測量電極的直徑，當(dāng)d<

5、電荷密度，所以電容器極板棱邊附近處的電場強(qiáng)度大于其表面附近的電場強(qiáng)度。這種電場強(qiáng)度的分布不均勻性造成了電容器極板邊緣處的電場分布相對于極板正對表面間的電場分場的畸變，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)電極來消除。保護(hù)電極環(huán)繞在測量電極周圍，當(dāng)保護(hù)電極的電位與測量電極電位相等時，測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，原畸變的電場被排斥到了保護(hù)電極的外棱邊處，從而使得測量電極處的整個電場比較均勻，故可減小測量誤差。當(dāng)保護(hù)電極與測量電極之間

6、的間隙越小時，理論誤差也越小。實(shí)驗(yàn)的測量裝置系統(tǒng)共有三個電極，即高電位電極，測量電位和保護(hù)電極。用電極裝置和萬用電橋即可測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．測量介質(zhì)板的厚度d，并將其裝入三電極系統(tǒng)。2．測量三電極系統(tǒng)的測量電極的直徑D.3．根據(jù)圖21-4和圖21-5（見附錄）連接好萬用電橋與三電極系統(tǒng)的高電位電極和測量電極，測出其電容C。4．接上保護(hù)電極后，再測出其電容值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時的εr。注意事項(xiàng)1．保護(hù)電極與測量電極不能直接用導(dǎo)線相連，或接在同一個電位接線柱上（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．被測電介質(zhì)表面一般不十分平整，兩個表面的平行度也不是很理想的，為了消除其對測量的影響，可以在被測介質(zhì)表面鍍金屬膜或鋪金屬箔使之平整。問題討論1．實(shí)驗(yàn)裝置中三個電極的作用是什么？有何特點(diǎn)？2．為什么保護(hù)電極與測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）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