材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的測(cè)量

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1、無(wú)機(jī)材料的介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握無(wú)機(jī)材料介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的測(cè)試原理及測(cè)試方法。2.學(xué)會(huì)使用Agilent4991A射頻阻抗分析儀的各種功能及操作方法。3.分析影響介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的的因素。二、實(shí)驗(yàn)原理1.介電性能介電材料（又稱電介質(zhì)）是一類具有電極化能力的功能材料，它是以正負(fù)電荷重心不重合的電極化方式來(lái)傳遞和儲(chǔ)存電的作用。極化指在外加電場(chǎng)作用下，構(gòu)成電介質(zhì)材料的內(nèi)部微觀粒子，如原子，離子和分子這些微觀粒子的正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，并沿著外部電場(chǎng)的方向在一定的范圍內(nèi)做短距離移動(dòng)，從而形成偶極子的過(guò)程。極化現(xiàn)象和頻率密切

2、相關(guān)，在特定的的頻率范圍主要有四種極化機(jī)制：電子極化(electronicpolarization，1015Hz)，離子極化(ionicpolarization，1012～1013Hz)，轉(zhuǎn)向極化(orientationpolarization，1011～1012Hz)和空間電荷極化(spacechargepolarization，103Hz)。這些極化的基本形式又分為位移極化和松弛極化，位移極化是彈性的，不需要消耗時(shí)間，也無(wú)能量消耗，如電子位移極化和離子位移極化。而松弛極化與質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，極化的建立需要消耗一定的時(shí)間，也通常

3、伴隨有能量的消耗，如電子松弛極化和離子松弛極化。相對(duì)介電常數(shù)（ε），簡(jiǎn)稱為介電常數(shù)，是表征電介質(zhì)材料介電性能的最重要的基本參數(shù)，它反映了電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下的極化程度。ε的數(shù)值等于以該材料為介質(zhì)所作的電容器的電容量與以真空為介質(zhì)所作的同樣形狀的電容器的電容量之比值。表達(dá)式如下：（1）式中C為含有電介質(zhì)材料的電容器的電容量；C0為相同情況下真空電容器的電容量；A為電極極板面積；d為電極間距離；ε0為真空介電常數(shù)，等于8.85×10-12F/m。另外一個(gè)表征材料的介電性能的重要參數(shù)是介電損耗，一般用損耗角的正切（tanδ）表示。它是指材

4、料在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)而引起的能量損耗。材料的介電常數(shù)和介電損耗取決于材料結(jié)構(gòu)和極化機(jī)理。除此之外，還與工作頻率、環(huán)境溫度、濕度有關(guān)。在交變電場(chǎng)作用下，材料的介電常數(shù)常用復(fù)介電常數(shù)表達(dá)：（2）式中和都是與頻率相關(guān)的量，二者的比值為tanδ（3）則介質(zhì)電導(dǎo)率（4）式中為交變電壓的角頻率。僅與介質(zhì)有關(guān)，稱為介質(zhì)損耗因子，其大小可以作為絕緣材料的判據(jù)。此外，還有一個(gè)表征介電材料耐壓性能的物理量——介電強(qiáng)度。當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，超過(guò)電介質(zhì)材料所能承受的臨界值時(shí)，電介質(zhì)材料從介電狀態(tài)向?qū)щ姞顟B(tài)轉(zhuǎn)變，這一臨界電場(chǎng)強(qiáng)度

5、即為介電強(qiáng)度。2.磁導(dǎo)率（MagneticPermeability）任何介質(zhì)處于磁場(chǎng)中，均會(huì)使其所在空間的磁場(chǎng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁化。在磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0的外加磁場(chǎng)中，介質(zhì)被磁化后會(huì)反過(guò)來(lái)影響所在的磁場(chǎng)，使其發(fā)生變化，即產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)H′，此時(shí)介質(zhì)所處磁場(chǎng)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度H總為（5）單位為安/米（A/m）。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，材料中原子固有磁矩的矢量總和為零，宏觀上不呈現(xiàn)磁性。外加磁場(chǎng)時(shí)，物質(zhì)被磁化，但是不改變其固有磁矩大小，只改變其取向。因此物質(zhì)的磁化程度可以用單位體積的磁矩大小來(lái)表示，即磁化強(qiáng)度M，其單位為A/m（6）式中表示體積為V磁介

6、質(zhì)中磁矩矢量和。M即上述的附加磁場(chǎng)，它與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為（7）式中χ為單位體積的磁化率，量綱為1。通過(guò)垂直磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線束稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度，用B表示，其單位為T（特斯拉），它與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系為（8）式中=4π×10-7，單位為H/m(亨/米)，稱為真空磁導(dǎo)率。將式(7)代入式(5)代入可得：（9）式中為相對(duì)磁導(dǎo)率；μ為物質(zhì)磁導(dǎo)率，它反映磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的速率。通常使用的是磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，其定義為物質(zhì)磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率的比值，即：（10）類似的，在交變磁場(chǎng)中，相對(duì)磁導(dǎo)率是一個(gè)復(fù)數(shù)，即（11）表示在磁場(chǎng)作用下

7、產(chǎn)生的磁化程度，反映材料對(duì)電磁波能量的存儲(chǔ)能力；表示外加磁場(chǎng)作用下材料磁偶矩重排引起的損耗，反映材料對(duì)電磁波產(chǎn)生損耗的能力。磁性損耗介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減能力通常用損耗正切來(lái)表示，其值越大，衰減能力越強(qiáng)。3.阻抗分析儀測(cè)量介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的原理本實(shí)驗(yàn)中使用的儀器是AgilentTechnologies公司的生產(chǎn)的E4991A型射頻阻抗分析儀。它采用射頻電流-電壓（RF-IV）測(cè)量技術(shù)，依據(jù)被測(cè)件終端電流和電壓來(lái)直接測(cè)量1MHz～3GHz頻率范圍內(nèi)的阻抗。通過(guò)測(cè)定的高精度的阻抗值，自動(dòng)計(jì)算試樣的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，可直接在顯示器上讀取結(jié)果。測(cè)

8、量介電常數(shù)時(shí)需將E4991A與夾具16453A配套使用，測(cè)量磁導(dǎo)率時(shí)需將E4991A與夾具16454A配套使用。三.實(shí)驗(yàn)儀器及試樣制備1.實(shí)驗(yàn)儀器儀器：Agilent4991A射頻阻抗分析儀、16453A夾具、16454