材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的測量

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1、無機材料的介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的測定一、實驗?zāi)康?.掌握無機材料介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的測試原理及測試方法。2.學(xué)會使用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、實驗原理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，它是以正負電荷重心不重合的電極化方式來傳遞和儲存電的作用。極化指在外加電場作用下，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電荷中心發(fā)生分離，并沿著外部電場的方向在一定的范圍內(nèi)做短距離移動，從而形成偶極子的過程。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，不需要消耗時間，也無能量消耗，如電子位移極化和離子位移極化。而松弛極化與質(zhì)點的熱運動密切相關(guān)，極化的建立需要消耗一定的時間，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。相對介電常數(shù)（ε），簡稱為介電常數(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)。在交變電場作用下，材料的介電常數(shù)常用復(fù)介電常數(shù)表達：（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，還有一個表征介電材料耐壓性能的物理量——介電強度。當外加電場強度逐漸增大，超過電介質(zhì)材料所能承受的臨界值時，電介質(zhì)材料從介電狀態(tài)向?qū)щ姞顟B(tài)轉(zhuǎn)變，這一臨界電場強度

5、即為介電強度。2.磁導(dǎo)率（MagneticPermeability）任何介質(zhì)處于磁場中，均會使其所在空間的磁場發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁化。在磁場強度為H0的外加磁場中，介質(zhì)被磁化后會反過來影響所在的磁場，使其發(fā)生變化，即產(chǎn)生一個附加磁場H′，此時介質(zhì)所處磁場的總磁場強度H總為（5）單位為安/米（A/m）。無外加磁場時，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。外加磁場時，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表示，即磁化強度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，它與磁場強度的關(guān)系為（7）式中χ為單位體積的磁化率，量綱為1。通過垂直磁場方向單位面積的磁力線束稱為磁感應(yīng)強度，用B表示，其單位為T（特斯拉），它與磁場強度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）式中為相對磁導(dǎo)率；μ為物質(zhì)磁導(dǎo)率，它反映磁感應(yīng)強度B隨外磁場強度H變化的速率。通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導(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，在交變磁場中，相對磁導(dǎo)率是一個復(fù)數(shù)，即（11）表示在磁場作用下

7、產(chǎn)生的磁化程度，反映材料對電磁波能量的存儲能力；表示外加磁場作用下材料磁偶矩重排引起的損耗，反映材料對電磁波產(chǎn)生損耗的能力。磁性損耗介質(zhì)對電磁波的衰減能力通常用損耗正切來表示，其值越大，衰減能力越強。3.阻抗分析儀測量介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的原理本實驗中使用的儀器是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）測量技術(shù)，依據(jù)被測件終端電流和電壓來直接測量1MHz～3GHz頻率范圍內(nèi)的阻抗。通過測定的高精度的阻抗值，自動計算試樣的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，可直接在顯示器上讀取結(jié)果。測

8、量介電常數(shù)時需將E4991A與夾具16453A配套使用，測量磁導(dǎo)率時需將E4991A與夾具16454A配套使用。三.實驗儀器及試樣制備1.實驗儀器儀器：Agilent4991A射頻阻抗分析儀、16453A夾具、16454