材料的介電常數(shù)和磁導率的測量

材料的介電常數(shù)和磁導率的測

量(總5頁)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOnel-CAL-本頁僅作為文檔封面，使用請直接刪除無機材料的介電常數(shù)及磁導率的測定一、實驗目的掌握無機材料介電常數(shù)及磁導率的測試原理及測試方法。學會使用Agilent4991A射頻阻抗分析儀的各種功能及操作方法分析影響介電常數(shù)和磁導率的的因素。二、實驗原理介電性能介電材料(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)(s)，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。s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）C11）￡= =X—C8A00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；％為真空介電常數(shù)，等于8.85x10-12F/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（tanS）表示。它是指材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應而引起的能量損耗。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)常用復介電常數(shù)表達：TOC\o"1-5"\h\z8=8’一i8" （2）式中8’和8’’都是與頻率相關(guān)的量，二者的比值為tanStan5==— （3）8’①8則介質(zhì)電導率g=?8tan5 （4）式中?為交變電壓的角頻率。8tan5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，這一臨界電場強度即為介電強度。磁導率（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H二H+H' (5)總0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/mypM=m (6)V式中yp表示體積為v磁介質(zhì)中磁矩矢量和。m即上述的附加磁場，它與磁場m強度的關(guān)系為M=/H (7)式中X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B二口(H+M) (8)0式中口=4nx10-7單位為H/m(亨/米)，稱為真空磁導率。0將式(7)代入式(5)代入可得：B—u(1+x)H=uuH=uH (9)00r式中u為相對磁導率；卩為物質(zhì)磁導率，它反映磁感應強度B隨外磁場強度Hr變化的速率。通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導率，其定義為物質(zhì)磁導率U與真空磁導率卩0的比值，即：U=— （10）rU0類似的，在交變磁場中，相對磁導率是一個復數(shù)，即P二y'+i『 ⑴）rrr□'表示在磁場作用下產(chǎn)生的磁化程度，反映材料對電磁波能量的存儲能力；r□''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r□''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tan5=二來表□'示，其值越大，衰減能力越強。阻抗分析儀測量介電常數(shù)和磁導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)或磁導率，可直接在顯示器上讀取結(jié)果。測量介電常數(shù)時需將E4991A與夾具16453A配套使用，測量磁導率時需將E4991A與夾具16454A配套使用。三.實驗儀器及試樣制備實驗儀器儀器:Agilent4991A射頻阻抗分析儀、16453A夾具、16454A夾具，見圖1。規(guī)格：內(nèi)置等效電路分析能對被測件的多元件模型進行計算，在掃描頻率范圍1MHz-3GHz內(nèi)方便的獲取測試數(shù)據(jù)，彩色LCD/CRT可以同時顯示多組測量曲線；先進的校正和補償方法降低了測量誤差。測量頻率范圍：1MHz3GHz,分辨率：1mHz；震蕩器水平：40dBm~1dBm，分辨率：O.ldBm；輸出阻抗：50；直流偏壓：0~±40V,分辨率：1mV；直流偏流：100!iA~50mA,-100pA~—50mA，分辨率：0.01mA。圖1Agilent4991A射頻阻抗分析儀試樣制備環(huán)狀試樣：外環(huán)直徑申＜20.0mm,內(nèi)環(huán)直徑申＞3.1mm,厚度h^8.5mm；外內(nèi)圓柱或塊狀試樣：最大外徑申＞15mm,0.3mm＜厚度h＜3mm。大四.實驗步驟測試前準備：連接主機各種組件,包括電源線,鍵盤,鼠標,測試端頭等,然后開機,預熱0.5h以上。選擇測試模式：E4991A狀態(tài)初始化：“system”f“preset”設(shè)置測量模式：“Utility”f“Utility”f“MaterialOptionMenu”f“MaterialType”—“選擇測試參數(shù)：Permittivity（介電常數(shù)）/Permeability（磁導率）”設(shè)置測試條件：設(shè)置顯示方式：“Display”—“Display”—“NumofTraces：3Scalar”設(shè)置測試參數(shù)：“Meas/Format”—“Meas/Format”—“MeasParameter”—“Format:LinY-Axis”③設(shè)置掃描參數(shù)：“Stimulus”f“SweepSetup/Parameter”f設(shè)置掃描點數(shù)（201）及方式（Log）設(shè)置振蕩水平：“Stimulus”f“Source”f“OscUnit”選擇電流（磁導率）或電壓（介電常數(shù)）設(shè)置掃描幅度：“Stimulus”f“Start/Stop”f“Start”或“Stop”設(shè)置相應的頻率范圍校正測試端頭（7mm端）：校正準備：“Stimulus”f“Cal/Comp”f“CalMeun[Uncal]”—“CalType:FixedFreq&Pwr”開路校正：“連接0S到7mm端”—“MeasOpen”f“〈MeasOpen”—“逆時針卸載0S”短路校正：“連接0。到7mm端”—“MeasShort”—“〈MeasShort”—“逆時針卸載0?！必撦d校正：“連接50。到7mm端”—“MeasLoad”—“〈MeasLoadt”—“逆時針卸載50?！钡蛽p耗電容校正：“連接‘低損耗電容'到7mm端”—“MeasLowLossC”—叫MeasL-L”—“逆時針卸載低損耗電容,J“Done”—屏幕底端狀態(tài)Uncal顯示為CalFix，校正完畢。補償測試夾具：16453A的補償：將16453A連接到7mm端，輸入標準負載厚度0.78mm:“Stimulus”—“Cal/Comp”—“CalKitMeun”—“Thickness”選擇夾具模式：“Stimulus”—“Cal/Comp”—“FixtureType”—“16453A”選擇校正的測試點類型：“CalMeun[Uncal]”f“CalType:FixedFreq&Pwr”短路校正：調(diào)節(jié)釋放/提升按鈕，使夾具上下電極接觸，MeasShort”f“〈MeasShort”開路校正：調(diào)節(jié)釋放/提升按鈕，使夾具上下電極分開，MeasOpen”-“〈MeasOpent”負載校正：將標準負載置于上下電極之間，“MeasLoad”f“〈MeasLoad”f“Done”確認-屏幕底端狀態(tài)欄中Uncal變?yōu)镃alFix,校正完畢。16454A的補償：將16453A/16454A連接到7mm端選擇夾具模式：“Stimulus”-“Cal/Comp”-“FixtureType”-選擇“16454S或16454L”補償：“Stimulus”—“Cal/Comp”—“CompMeun”—將樣品托置于測量夾具上-MeasOpen”-“〈MeasOpent”；“MeasShort”-“〈MeasShort”；“MeasLoad”—叫MeasLoad”—“Done”—確認屏幕底端狀態(tài)中Uncal變?yōu)镃alFix,補償完畢。測試與保存：測試準備：“Utility”—“Utility”—“MaterialOptionMenu”—“輸入樣品實際尺寸”測試：安裝試驗試樣，然后“Scale”—“Autoscaleall”，開始自動測試。保存