电介质实验导书

电介质物理实验指导书TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"实验一电解电容漏电流及容量与耗损角正切的温度特性测试 1\o"CurrentDocument"一、 实验目的 1\o"CurrentDocument"二、 实验仪器 1\o"CurrentDocument"三、 实验原理 1\o"CurrentDocument"四、 实验步骤 2\o"CurrentDocument"五、 实验要求 2\o"CurrentDocument"实验二电介质材料击穿测试与分析 4\o"CurrentDocument"实验目的 4\o"CurrentDocument"实验仪器 4\o"CurrentDocument"实验原理 4\o"CurrentDocument"实验方法 4基本实验步骤 5注意事项 6\o"CurrentDocument"实验三电介质材料介电系数和损耗角正切的频率特性测试 7\o"CurrentDocument"一、 实验目的 7\o"CurrentDocument"二、 实验仪器 7\o"CurrentDocument"三、 实验原理 7\o"CurrentDocument"四、 实验步骤 9\o"CurrentDocument"五、 实验要求 9\o"CurrentDocument"实验四电介质介电常数和损耗角正切的温度特性测试 11\o"CurrentDocument"一、 实验目的 11\o"CurrentDocument"二、 实验原理 11\o"CurrentDocument"三、 实验仪器和材料 14\o"CurrentDocument"四、 实验步骤 15\o"CurrentDocument"五、 实验要求 14\o"CurrentDocument"实验五电介质导电特性测试 16\o"CurrentDocument"一、 实验目的 16\o"CurrentDocument"二、 实验仪器 16\o"CurrentDocument"三、 实验要求 16实验一电解电容漏电流及容量与耗损角正切的温度特性测试预习报告一、 实验目的1、 掌握大容量电解电容器的测量方法。2、 掌握电解电容漏电流的测量方法3、 学习本实验所用仪器的使用和工作原理。4、 了解电解电容器的容量、耗损角正切随温度的变化特征。二、 实验仪器1、YY2617大电容数字测量仪 2、DF2686电解电容泄漏电流测试仪3、电解电容量（4700RF）。三、 实验原理图1大容量测试仪工作原理图电解电容器的内部结构与其他类型的电容器相比有明显的不同，其阳极是生成氧化膜的金属，而这层极薄的氧化膜是电解电容的介质，而另一极则并非金属，而是所谓的“电解质”，它可以为液体，也可以是糊状，凝胶或固体。此种结构特征决定了这类电容器的性能有其独特之处一一体积小，电容量大，在电子线路中占有重要地位。但也要承认正是这种特性的结构，使它的漏电流极大，可达1mA以上，相应的绝缘电阻不足1MQ，因此损耗角的正切较大，而且电容量的稳定性差，具体表现之一为损耗角正切和容量随温度的变化而变化，所以在使用上受到一定的限制，只有了解和掌握了这些特点，才能进一步改进和发展电解电容器。本实验所要测量的是电解电容器的漏电流随温度的变化。电解电容器的容量、损耗是由YY2617大电容数字测量仪测量。YY2617大电容数字测量仪的测量方法为电流电压法，可以同时测量电容器的等效串联电路的容量和损耗。当恒定的电流流经被测电容器Cx和等效串联电阻Rx时，产生的电压降经放大检波器检波后，容量指示由虚数部分的倒数经由3：LED显示。当工作于分选态时，由相应的门限设定原件及电压比较器完成，其结果由LED分别示出。TOC\o"1-5"\h\z文氏桥振荡器产生的交流信号经功率放大后，通过恒 门流电阻r0产生稳恒电流，在其被测电容器cx和等效串联 7UI电阻Rx上的电也降经放大器放大后分别送至检波器和乘 堀）法器，检波器的参考信号由信号源放大整形后获得，检波 K/yV器其输出为被测电容器的实数部分，放大器K2和C1、R1 _组成90。移相电路，其输出至乘法器M1，乘法器M1的输 二 出为A/D变换器的基准电压，分别送入两个A/D变换器由 图231LED显示出容量值和损耗值。漏电流可直接从DF2686电解电容泄漏电流测试仪上读出测量原理如图二所示，仪表上的读即为该电容器的漏电流。四、实验要求1、 测量不同电压的漏电流，列表并做出ix-V曲线；2、 测量不同温度下的Cx、tan5，列表并做出C-T，tan5-T曲线；3、 分析数据，完成实验报告。实验报告一、实验步骤漏电流的测量（1） 首先检查漏电流测试仪与测试架接线是否正确：测试架的三根接线红、黑、灰按照由左至右的顺序，依次接到DF2686电解电容泄漏电流测试仪上。即测试架的红线接左边的红接线柱，测试架的黑线接中间的黑接线柱，试架的灰线接右边的红接线柱；（2） 检查各个旋钮的位置电压调节钮应置于零位置，自动/手动选择置于手动，电流量程置于最大，电流调节置于中间位置；（3） 以上检查均正确后方可接通电源，充电电压依次选择0，5，10 ，50V，选择电压后，将被测电容器插入测试架的充电位置，即可对电容器充电，30s后方再将被测电容器插入测试架的测试位置，测量漏电流，逐渐减小电流量程，两分钟后在电流表上读出相应的电容器漏电流,，一旦测试完将被测电容器插入测试架的放电位置，两分钟后进行下一次测量，记录所测的电压与对应的漏电流。2、 电解电容器的容量，损耗角正切测量首先YY2617大容量测试仪与测试架接线是否正确：测试架有三组接线红、兰、黑。测试架的两根红线接分别接到VH、IH线柱，两根兰线接分别接到VL、IL线柱，测试架的黑线接地。将夹具盒接线柱按注明符号插入仪器相应的插孔；接上YY2617电源，打开电源开关，指示灯亮，选择恰当的量程，预热10分钟后方可进行；打开直流电源，电炉通电，对待测样品加热；利用温度计测量待测样品温度T的变化，同时记录在不同温度下的Cx.tg5的具体数据(本实验从30°C开始测量，直到100°C为止，每隔5°C记录一组数据，YY2617大容量测试仪的读数D为tan)。关闭直流电源及YY2617大容量测试仪的电源开关，实验结束。二、实验数据及分析实验二电介质材料击穿测试与分析预习报告实验目的掌握耐压测试仪的使用方法；电子元件、介质材料的耐压和击穿实验的基本方法。实验仪器CY2671万能击穿装置，介质测量夹具，纸介（或其它介质）材料。实验原理通常情况下介质材料是绝缘体，其中总是回含少量的杂质或缺陷，这些杂质或缺陷平常释放的电子很少，当外界的所加的电场较小时，电介质的电子电流很微弱，保持其绝缘性。而当所加电场很强且超过某一临界值时，这些少量的电子被加速，一较大的能量（动能形式）撞击介质中比的电子或离子，使其离化出电子，被离化出的电子被加速，又去撞击别的电子或离子，进一步离化出新的电子，形成雪崩效应，使电介质中的电流急剧增大，这即是电介质击穿的大致形式。击穿实验是在一定条件下逐步提高加在式样上的电压，直到式样发生击穿破坏了为止，实验手段，根据实验测得击穿电压（对元件）或击穿场强（对材料）作为研究介质材料性能，评定其性能的重要参数，也是对元件结构设计的重要依据。击穿一般分为直流电压击穿和交流电压击穿两种，每种又以三种升压法进行：连续升压法，逐级升压法和温度升压法。连续升压法：按一定的升压速度连续调节加在样品上的电压直到样品击穿为止。连续升值法：先一连续升压法的速度连续调节加到式样上的击穿电压数值的50%，然后分级每隔一分钟升压一次（升压速度尽可能快，不超过10S），升压值为标称电压的10%，直到击穿为止，最后一级电压称为击穿电压。慢速升压法：是以连续升压速度调节加在样品上的电压直到标称电压的50%，然后以慢速升压（仍为匀速）直到击穿。同一种介质材料，交流电压下测得的击穿电压较低，直流电压下所测得的击穿电压较高，脉冲电压下所测得的击穿电压最高。同一种介质，以连续升压，逐级加压和慢速升压法分别测得击穿电压依次降低。由于击穿为破坏性实验，故我们只对介质材料进行测试。实验方法连续均匀升压法升压速度:样品击穿电压（kv）升压速度（kv/s）<1.00.1

1.0〜5.00.55.1〜201.0>202.0逐级升压法升压速度:样品击穿电压（kv）每级升压值（kv）三25126〜50251〜1005>100103.慢速升压法升压速度:样品击穿电压（kv）升压速度（v/s）M251726〜503351〜10083>100167（二）：每种介质直流和交流电压下各测四次取平均值，参考击穿电压数值:直流（v）交流（v）纸介400340涤纶介5001700（三） ：介质材料的击穿场强Evn=U/D（V/M），D为介质厚度，线介质D=0.02mm，涤纶介质D=0.04mm，试计算交流电压下逐渐升压法所测得平均场强。（四） ：对实验中出现的问题进行分析，完成实验报告实验报告一・基本实验步骤将带手枪插头的测试线插入安全门内的插孔（交流输出在左，直流在右）测试线端（鳄鱼头）和地线端分别接到测试样品的夹具两端，如图所示。关好安全门，打开电源至通位置，绿色指示灯亮。预热十五分钟后，将测试1校准拨动开关至“校准”电压表指向满刻度，电流表应指向“1MA，^近处，可用小螺丝刀调节“电流”“电压”字样孔的电位器使之满足。测试1校准向“测试”确认样品已放入夹具内。“漏电流选择”，“漏电范围”分别为“1ma”和“1ma”量程至适当位置。“输出电压调节”逆时针使劲旋到头，可听到继电器合匝声，随之绿灯熄灭，红灯发亮，表示可以施加高压。调节“输出电压调节”顺时针旋转，即有高压输出，并可在电压表中读出所加高压的数值。注意事项：1、 每测一次要换一下电容纸的位置，防止测量不准。2、 在进行耐压实验时，若达到预定电流值这为击穿电压。二、实验数据及分析实验三电介质材料介电系数和损耗角正切的频率特性测试预习报告一、实验目的1、 掌握高频Q表仪器的使用方法及工作原理。2、 掌握介质材料的介电系数和损耗角随频率变化的特征。二、实验仪器高频Q表(QBG-3B)＞标准电感、测试夹具、待测样品。三、实验原理用来制造电容器的介质材料很多，有无机介质材料和有机介质材料之分，介电系数和耗损角正切是介质材料的两个重要系数，也是衡量其他电容性能的基本尺度，并直接影响到产品的质量。因此，了解介质材料的性能对进一步研究新材料、新工艺，对电容的发展具有实际的意义。测量介质材料的介电系数通常是将该材料做成试样，测量其电容量，然后经过计算得到8和tgS的值，从电介质物理可知，一定形状和大小的试样，其电容量与材料的介电系数成正比。介质材料的介电系数e可用填充介质材料的电容量与同样尺寸的真空介质材料的电容量C。之比来表示，即八C/C。对平板试样，电介质材料的介电系数8可由公式求得：0.036兀Ch8= A其中平板试样电容C的单位为pF，A的单位为就，h的单位为m。对于式样是圆形平板时，A=兀D2/4,则:(1)hC(1)8=0.144——D2鬲频、及生慕上面的计算公式均未考虑电极边缘电场的畸变效应，否则要修正。另外，电场作用下的电介质并不是纯电容，它存在等效的电阻，即存在着介电损耗，等效为损耗电阻。在交变场作用下，通过介质的电流矢量之间有一定夹角8，正如实一所提到的此角即为介质损耗角。5愈大，损耗分量愈大，电容器或介质材料的损耗大，通常用介质损耗角5的正切tg5来表示。鬲频、及生慕本实验利用高频Q表测量试样的电容量。测试原理图如右图所示：将被测电容器或介质材料式样并联与标准可调谐电容器上。当不接式样时，选择适当频率，接入相应的标准线圈，改变调谐电容，使回路发生谐振，此时调谐电容为q，Q值读数为Q］；接入式样时，减小调谐电容，使回路重新恢复谐振，此时调谐电容为C2,Q值为Q2。因为：

Q11

Q1①C2(Rl+R0) ①C]RlQ=2 o(C2+C)(R+R)=C2+Cx=^^2l所以x=C1所以x=C1-C2式中R\——可从图所示等值变换计算确定。因为1 1 i =—+R+ R因为1 1 i =—+R+ Rs j°CQR

x

1+jo(C2+C)R1+ j°CQRx一沁(C2+C)Rx=R-—1+02(C2+C)2R2 sOCQ1oCR2oCR21根据实部相等，得。^= 1——x 铝 1——oC1+02C2R2o2C2R2oCQ1x1x2所以C-C-C+C1 Q2 x则而1 1 1=oCR+oCR'= +-——qqn所以Q1J所以Q1JQ1Q2(C1-C2)(2)实验时将一个标准电容与被测样品并联，固定发生器频率，分别在接入样品和不接样品的两种情况，改变电容器的数值使之发生谐振，两次测量的容量差值就是待测电容Cx［也就是公式（1）中的C］。设第一次不接Cx时谐振电容为C1，谐振频率f，第二次插入。，改变谐振电容器的电容，谐振频率仍为f1，使电路从新起振此时电容值为C2由于f1不变，所以C=C+C2。四、实验要求1、 测量不同波段的频率f、C1、C2，Q1、Q2；2、 计算不同频率f的8、tan5，列表并做出8-f、tan5-f曲线；3、 分析数据，完成实验报告。一、4注意：1、 调节振荡频率和电容量时，特别注意当刻度调整到最大或最小时，不要用力继续再调。2、 手不得靠近测试件，以免人体感应造成测量误差。实验报告一、实验步骤1打开高频Q表电源，预热30分钟以后方能进行测量；2短接、的两端，对Q表调零；3选择一适当电感接到Lx两端；4将微调电容器调至零，主调电容器调到较大的容量，令这个电容值为£，若未知电容数值较小，q调到较小的电容值附近；的两端，保持/不便，重复步骤3调节，此时的Q记为Q2；5调节信号源的频率f，使测试回路谐振，也就是Q的两端，保持/不便，重复步骤3调节，此时的Q记为Q2；6将被测电容接在Cx7利用公式（1）、公式（2）,计算频率f时的Cx,tan6；8改变标准电感线圈根据L的值对照选择测试频率重复步骤1,2,3,4,,如此反复对每个波段测量一组值（共测六组）。二、实验数据及分析实验电介质介电常数和损耗角正切的温度特性测试实验电介质介电常数和损耗角正切的温度特性测试实验报告一、 实验目的1、 了解有机、无机电介质材料的8，tan8随温度的变化规律。2、 掌握用RLC测试材料电容C和tan8的方法。3、 研究介质材料的8和tan8随温度变化的特性。二、 实验原理介电常数8和介质损耗角正切tan8是电容器和电介质材料特性的两个重要参数，正确测量8和tan8及其温度特性具有重要意义；同时通过测量这些参数来揭示材料内部的结构和机理，对研究新材料也有重要意义。测量介电材料的介电系数，通常是将该材料做成电容式样，测量其电容值，然后经过计算而确定。从电介质物理可知：一定形状和大小的式样，其电容量与材料的相对介电常数成正比，介电材料的相对介电常数8可以用填充介质材料的电容量C与同样尺寸的真空电容器的电容量C（或称几何电容）之比值来表示，即：0C8=——对于平板式样，其几何电容C0为式中A——式样的面积（m2）；H——式样的厚度（m）；80 真空介电系数（F/m）；由于80=4兀910牝8.85x10-12（F/m）因此，平板式样的相对介电系数为:CCCh36兀X109ChP—— — — o—— — — CoA/hoAA若平板式样的电容C为批pF，上式变为0.036兀Cho— A对于式样是圆形平板时，A-兀D2/4，则hCo—0.144一D2式中D——式样电极的直径（m），其余符号意义同上。对于园环试样，A=兀D：_D2）40—°.144C1 2D1、D2——分别对应于园环的外直径与内径（m）。对于管形试样，同样可以推出相应的计算公式o—C—0.018ClnDC0 L D2式中L——电极的长度（m）；D1、D2―分别对应于园管的外直径与内径（m）；C——管形式样的电容量（pF）上面的计算公式均未考虑电极边缘电场的畸变效应。若考虑这些边缘效应，必须对计算公式作出修正。在电场作用下，电容器或电介质材料内总要消耗一定的功率，也就是说，电容器或者由电介质材料作为电容试样并不是纯电容，它存在着等效的损耗电阻。因此，有损耗的电容器和介质材料试样，可用并联等值电路或串联等值电路来表示，如图1所示。当在交流电场作用下，通过电容器或介质材料的电流（或两端的电压）矢量和容性电流（或容性电压）矢量之间有一夹角5,通常把此角称为介质损耗角。从图中可以看出：5愈大，损耗分量愈大，即电容器或介质材料的损耗大，通常用介质损耗角5的正切tg5来表示。显然，对于并联：菸-竺—GU®C ①C ①CR对于串联：tg^=~=①cRI/①C sSs它们都等于有功功率与无功功率的比值。电容器或介质材料试样的损耗电功率为:L=u&c.图一⑴串联㈤并联TOC\o"1-5"\h\z-U2 八cP=U2G=一U2①Ctg8xR xxxU2 八tgb或者 P=12R= —R=U2^C gx^sR2+*ss^用仍xs这里必须指出的是：所谓等效电路是指对外电路等效的，也就是指tan8而言的。因此，在计算tan8时，并联等值电路和串联等值电路均可以应用，而且结果是一样的。但是并联电容并不等于串联电容。作为电容器（电解电容器除外）或介质材料的损耗都很小，一般均采用并联等效电容来表征电容器或介质材料试样的电容，这样更直观反映电容器或介质材料的实际情况。因此，在计算样品的8时，必须用并联等值电容来计算。如果测得的是串联等值电容Cs，必须换算成并联等值电容Cx。并联等值电容Cx与串联等值电容很容易推得下面关系：tg28x如果tg5xW0.1时，则tg25xW0.01,可以近似认为Cx^Cs,其结果所造成的误差不大于1%。人们引入了电容器温度系数这一概念，电容器为了衡量电容器的电容量对温度的稳定性人们引入了电容器温度系数这一概念，电容器d£ d£ 1dA1dh—+ 1dc1 = • r十 — cdt£dTAdThdT即温度变化一度时，电容量的相对变化率。由上式可以看到，影响电容器电容量的温度稳定性的因素除与金属电极、极板距离有关外，主要取决于电容器所用的电介质材料。上式第一项£~•dT与电容温度系数的定义具有相同的形式，所以定义温度变化一度时，介电系数的相r对变化率为介电系数的温度系数。即：1d£

=——• r£dTr1 d(tan8)a工tariSa工t