電介質(zhì)實驗講義.doc

I 電介質(zhì)物理 實驗指導書 電介質(zhì)實驗指導書 1 電介質(zhì)材料擊穿測試與分析電介質(zhì)材料擊穿測試與分析 一 實驗目的一 實驗目的 1 掌握耐壓測試儀的使用方法 2 電子元件 介質(zhì)材料的耐壓和擊穿實驗的基本方法 二 實驗儀器二 實驗儀器 CY2671 萬能擊穿裝置 介質(zhì)測量夾具 紙介 或其它介質(zhì) 材料 三 實驗原理三 實驗原理 通常情況下介質(zhì)材料是絕緣體 其中總是回含少量的雜質(zhì)或缺陷 這些雜質(zhì)或缺陷平常釋 放的電子很少 當外界的所加的電場較小時 電介質(zhì)的電子電流很微弱 保持其絕緣性 而當 所加電場很強且超過某一臨界值時 這些少量的電子被加速 一較大的能量 動能形式 撞擊 介質(zhì)中比的電子或離子 使其離化出電子 被離化出的電子被加速 又去撞擊別的電子或離子 進一步離化出新的電子 形成雪崩效應 使電介質(zhì)中的電流急劇 增大 這即是電介質(zhì)擊穿的 大致形式 擊穿實驗是在一定條件下逐步提高加在式樣上的電壓 直到式樣發(fā)生擊穿破壞了為止 實 驗手段 根據(jù)實驗測得擊穿電壓 對元件 或擊穿場強 對材料 作為研究介質(zhì)材料性能 評定其性能的重要參數(shù) 也是對元件結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù) 五 基本實驗步驟五 基本實驗步驟 1 將帶手槍插頭的測試線插入安全門內(nèi)的插孔 交流輸出在左 直流在右 2 測試線端 鱷魚頭 和地線端分別接到測試樣品的夾具兩端 3 關(guān)好安全門 打開電源至通位置 綠色指示燈亮 4 預熱十五分鐘后 將測試 1 校準撥動開關(guān)至 校準 電壓表指向滿刻度 電流表應指向 1MA 附近處 可用小螺絲刀調(diào)節(jié) 電流 電壓 字樣孔的電位器使之滿足 5 測試 1 校準向 測試 確認樣品已放入夾具內(nèi) 6 漏電流選擇 漏電范圍 分別為 1ma 和 1ma 量程至適當位置 7 輸出電壓調(diào)節(jié) 逆時針使勁旋到頭 可聽到繼電器合匝聲 隨之綠燈熄滅 紅燈發(fā)亮 表 示可以施加高壓 8 調(diào)節(jié) 輸出電壓調(diào)節(jié) 順時針旋轉(zhuǎn) 即有高壓輸出 并可在電壓表中讀出所加高壓的數(shù)值 9 每種材料測 5 次 求其平均擊穿電壓 注意事項 1 每測一次要換一下電容紙的位置 防止測量不準 2 在進行耐壓實驗時 若達到預定電流值這為擊穿電壓 電介質(zhì)實驗指導書 2 四 實驗數(shù)據(jù)及分析四 實驗數(shù)據(jù)及分析 1 實驗數(shù)據(jù) 次數(shù) 材料 12345 2 實驗分析 備注 參考擊穿電壓值 材料直流 v 交流 v 紙介400340 滌綸介5001700 電介質(zhì)實驗指導書 3 電介質(zhì)材料介電系數(shù)和損耗角正切的頻率特性測試電介質(zhì)材料介電系數(shù)和損耗角正切的頻率特性測試 一 實驗目的 1 掌握高頻 Q 表儀器的使用方法及工作原理 2 掌握介質(zhì)材料的介電系數(shù)和損耗角隨頻率變化的特征 二 實驗儀器二 實驗儀器 高頻 Q 表 QBG 3B 標準電感 測試夾具 待測樣品 三 實驗原理三 實驗原理 用來制造電容器的介質(zhì)材料很多 有無機介質(zhì)材料和有機介質(zhì)材料之分 介電系數(shù)和耗 損角正切是介質(zhì)材料的兩個重要系數(shù) 也是衡量其他電容性能的基本尺度 并直接影響到產(chǎn)品 的質(zhì)量 因此 了解介質(zhì)材料的性能對進一步研究新材料 新工藝 對電容的發(fā)展具有實際的 意義 測量介質(zhì)材料的介電系數(shù)通常是將該材料做成試樣 測量其電容量 然后經(jīng)過計算得到 和 tg 的值 從電介質(zhì)物理可知 一定形狀和大小的試樣 其電容量與材料的介電系數(shù)成 正比 介質(zhì)材料的介電系數(shù) 可用填充介質(zhì)材料的電容量與同樣尺寸的真空介質(zhì)材料的電容量 C0之比來表示 即 C C0 對平板試樣 電介質(zhì)材料的介電系數(shù) 可由公式求得 A Ch 036 0 其中平板試樣電容C C的單位為 pF F A A的單位為 h h的單位為m m 對于式樣是圓形平板時 4 2 DA 則 2 144 0 D hC 1 上面的計算公式均未考慮電極邊緣電場的畸變效應 否則需 要修正 另外 電場作用下的電介質(zhì)并不是純電容 它存在著等 效的電阻 即存在著介電損耗 等效為損耗電阻 在交變電場作 用下 通過介質(zhì)的電流矢量之間有一定夾角 正如實驗一所提 到的此角即為介質(zhì)損耗角 愈大 損耗分量愈大 即電容器 或介質(zhì)材料的損耗大 通常用介質(zhì)損耗角 的正切 tg 來表示 本實驗利用高頻 Q 表測量試樣的電容量 測試原理圖如右圖所示 將被測電容器或介質(zhì)材料式樣并聯(lián)與標準可調(diào)諧電容器上 當不接式樣時 選擇適當頻率 接入相應的標準線圈 改變調(diào)諧電容 使回路發(fā)生諧振 此時調(diào)諧電容為 C1 Q 值讀數(shù)為 Q1 接入式樣時 減小調(diào)諧電容 使回路重新恢復諧振 此時調(diào)諧電容為 C2 Q 值為 Q2 因 為 電介質(zhì)實驗指導書 4 L C 2 1 1 LL RCRRC Q 102 1 1 1 而 L CC x 2 2 1 1 2 2 sLx RRCC Q 則 L CCC x 2 21 1 所以 21 CCCx 式中 s R 可從圖所示等值變換計算確定 因為 1 1 1 2 x Q s CCj R Cj R 即 Q s xx x Cj R RCCj R 1 1 2 則 Q s sxx xxx C jR RCC RCCjR 1 1 22 2 2 2 2 根據(jù)實部相等 得 2 22 1 2 2 1 22 1 2 2 1 1 1 1 CRC RC RC RC C x x x x Q 所以 xQ CCCC 21 而 x sL RCQ RCRC Q 11 11 2 111 則 121 111 QQC C RC x xx 電介質(zhì)實驗指導書 5 所以 11 2121 211 12 1 CCQQ QQC QQC C tg x x 2 實驗時將一個標準電容與被測樣品并聯(lián) 固定發(fā)生器頻率 分別在接入樣品和不接樣品的 兩種情況 改變電容器的數(shù)值使之發(fā)生諧振 兩次測量的容量差值就是待測電容 x C 也就是公 式 1 中的 C 設(shè)第一次不接 x C時諧振電容為 1 C 諧振頻率 1 f 第二次插入 x C改變諧振 電容器的電容 諧振頻率仍為 1 f 使電路從新起振此時電容值為 2 C由于 1 f不變 所以 21 CCCx 四 實驗步驟四 實驗步驟 1 打開高頻 Q 表電源 預熱 30 分鐘以后方能進行測量 2 短接 x L的兩端 對 Q 表調(diào)零 3 選擇一適當電感接到 LX兩端 4 將微調(diào)電容器調(diào)至零 主調(diào)電容器調(diào)到較大的容量 令這個電容值為 1 C 若未知電容數(shù)值 較小 1 C調(diào)到較小的電容值附近 5 調(diào)節(jié)信號源的頻率f 使測試回路諧振 也就是 Q 達到最大值 記錄頻率f 此時的 Q記 為Q1 6 將被測電容接在 x C的兩端 保持f不便 重復步驟 3 調(diào)節(jié) 此時的 Q記為Q2 7 利用公式 1 公式 2 計算頻率f 時的Cx tan 8 改變標準電感線圈根據(jù) L 的值對照選擇測試頻率重復步驟 1 2 3 4 如此反復對每個波 段測量一組值 共測六組 五 實驗要求五 實驗要求 1 測量不同波段的頻率f 1 C 2 C 1 Q 2 Q 2 計算不同頻率f的 tan 列表并做出f f tan曲線 3 分析數(shù)據(jù) 完成實驗報告 注意 1 調(diào)節(jié)振蕩頻率和電容量時 特別注意當刻度調(diào)整到最大或最小時 不要用力繼續(xù)再調(diào) 2 手不得靠近測試件 以免人體感應造成測量誤差 電介質(zhì)實驗指導書 6 六 實驗數(shù)據(jù)與分析六 實驗數(shù)據(jù)與分析 1 實驗數(shù)據(jù) C1C2Q1Q2 tan 2 繪制曲線 電介質(zhì)實驗指導書 7 電介質(zhì)介電常數(shù)和損耗角正切的溫度特性測試電介質(zhì)介電常數(shù)和損耗角正切的溫度特性測試 一 實驗目的一 實驗目的 1 了解有機 無機電介質(zhì)材料的 tan隨溫度的變化規(guī)律 2 掌握用RLC測試材料電容C和 tan的方法 3 研究介質(zhì)材料的 和 tan隨溫度變化的特性 二 實驗原理二 實驗原理 介電常數(shù) 和介質(zhì)損耗角正切 tan是電容器和電介質(zhì)材料特性的兩個重要參數(shù) 正確測 量 和 tan及其溫度特性具有重要意義 同時通過測量這些參數(shù)來揭示材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和機 理 對研究新材料也有重要意義 測量介電材料的介電系數(shù) 通常是將該材料做成電容式樣 測量其電容值 然后經(jīng)過計算 而確定 從電介質(zhì)物理可知 一定形狀和大小的式樣 其電容量與材料的相對介電常數(shù)成正比 介電材料的相對介電常數(shù) 可以用填充介質(zhì)材料的電容量C與同樣尺寸的真空電容器的電容量 0 C 或稱幾何電容 之比值來表示 即 0 C C 對于平板式樣 其幾何電容 0 C為 h A C 0 0 式中 A 式樣的面積 2 m H 式樣的厚度 m 0 真空介電系數(shù) mF 由于 1085 8 1094 1 12 9 0 mF 因此 平板式樣的相對介電系數(shù)為 電介質(zhì)實驗指導書 8 A Ch A Ch hA C C C 9 000 1036 若平板式樣的電容C為批 pF 上式變?yōu)?A Ch 036 0 對于式樣是圓形平板時 4 2 DA 則 2 144 0 D hC 式中 D 式樣電極的直徑 m 其余符號意義同上 對于園環(huán)試樣 4 2 2 2 1 DDA 2 2 2 1 144 0 DD hC 1 D 2 D 分別對應于園環(huán)的外直徑與內(nèi)徑 m 對于管形試樣 同樣可以推出相應的計算公式 2 1 0 ln018 0 D D L C C C 式中 L 電極的長度 m 1 D 2 D 分別對應于園管的外直徑與內(nèi)徑 m C 管形式樣的電容量 pF 上面的計算公式均未考慮電極邊緣電場的畸變效應 若考慮這些邊緣效應 必須對計算公 式作出修正 在電場作用下 電容器或電介質(zhì)材料內(nèi)總要消耗一定的功率 也就是說 電容器或者由電 介質(zhì)材料作為電容試樣并不是純電容 它存在著等效的損耗電阻 因此 有損耗的電容器和介 質(zhì)材料試樣 可用并聯(lián)等值電路或串聯(lián)等值電路來表示 如圖 1 所示 當在交流電場作用下 通過電容器或介質(zhì)材料的電流 或兩端的電壓 矢量和容性電流 或容性電壓 矢量之間有一 夾角 通常把此角稱為介質(zhì)損耗角 從圖中可以看出 愈大 損耗分量愈大 即電容器 或介質(zhì)材料的損耗大 通常用介質(zhì)損耗角 的正切 tg 來表示 顯然 對于并聯(lián) xxx x x x RCC G CU UG tg 1 電介質(zhì)實驗指導書 9 對于串聯(lián) ss s s RC CI IR tg 它們都等于有功功率與無功功率的比值 電容器或介質(zhì)材料試樣的損耗電功率為 xx x x tgCU R U GUP 2 2 2 或者 x x ss s s s tg tg CUR C R U RIP 2 2 22 2 2 2 1 1 這里必須指出的是 所謂等效電路是指對外電路等效的 也就是指 tan而言的 因此 在計算 tan時 并聯(lián)等值電路和串聯(lián)等值電路均可以應用 而且結(jié)果是一樣的 但是并聯(lián)電 容并不等于串聯(lián)電容 作為電容器 電解電容器除外 或介質(zhì)材料的損耗都很小 一般均采用 并聯(lián)等效電容來表征電容器或介質(zhì)材料試樣的電容 這樣更直觀反映電容器或介質(zhì)材料的實際 情況 因此 在計算樣品的 時 必須用并聯(lián)等值電容來計算 如果測得的是串聯(lián)等值電容 Cs 必須換算成并聯(lián)等值電容 Cx 并聯(lián)等值電容 Cx 與串聯(lián)等值電容很容易推得下面關(guān)系 電介質(zhì)實驗指導書 10 x s x tg C CC 2 1 并 x s x tg tgR RR 2 2 1 并 如果 tg x 0 1 時 則 tg2 x 0 01 可以近似認為 Cx Cs 其結(jié)果所造成的誤差不大于 1 為了衡量電容器的電容量對溫度的穩(wěn)定性 人們引入了電容器溫度系數(shù)這一概念 電容器 溫度系數(shù)定義為 dT dh hdT dA AdT d dt dc c a r r c 1111 即溫度變化一度時 電容量的相對變化率 由上式可以看到 影響電容器電容量的溫度穩(wěn) 定性的因素除與金屬電極 極板距離有關(guān)外 主要取決于電容器所用的電介質(zhì)材料 上式第一 項 dT d r r 1 與電容溫度系數(shù)的定義具有相同的形式 所以定義溫度變化一度時 介電系數(shù)的相 對變化率為介電系數(shù)的溫度系數(shù) 即 dT d a r r 1 dT d a tan tan 1 tan 本實驗通過確定不同溫度下被測介質(zhì)材料試樣的 x C 計算出各個溫度下的 x 并計算 a tan a 三 實驗儀器和材料三 實驗儀器和材料 1 儀器 LCR測試儀 LCR 815B 直流電源 SS1792 電爐 溫度計 測試夾具 2 材料 皮革 紙 陶瓷等 四 實驗步驟四 實驗步驟 1 用游標卡尺測量電極的幾何尺寸 用千分尺測量實驗樣品的厚度 把待測樣品 按要 求夾在電極之間 組成一個電容器 2 打開 LCRLCR 測試儀電源 預熱 5 分鐘 3 選擇 LCRLCR 測試儀電容測量功能 4 選擇 LCRLCR 測試儀并聯(lián)電路模型 5 打開直流電源 電爐通電 對待測樣品加熱 電介質(zhì)實驗指導書 11 6 利用溫度計測量待測樣品溫度 T 的變化 同時記錄在不同溫度下的xC tg 的具體 數(shù)據(jù) 本實驗從 30 開始測量 直到 100 為止 每隔 5 記錄一組數(shù)據(jù) LCRLCR 測試儀的讀數(shù) D 就是 tan 7 關(guān)閉直流電源 LCRLCR 測試儀電源 五 實驗要求五 實驗要求 1 測量電極的幾何尺寸 實驗樣品的厚度并列表 a 根據(jù)測量的xC計算出相應的溫度下的 x 列表并做出T x T tan曲線 b 根據(jù)T x T tan曲線 求出 x tan的溫度系數(shù) c 分析數(shù)據(jù) 完成實驗報告 電介質(zhì)實驗指導書 12 電介質(zhì)導電特性測試電介質(zhì)導電特性測試 預習報告 預習報告 一 實驗目的一 實驗目的 1 掌握光電檢流計的使用方法 2 掌握測量電介質(zhì)材料電阻的基本方法 3 研究影響介質(zhì)材料電導率的基本因素 二 實驗儀器二 實驗儀器 1 儀器 靈敏檢流計 電流表