介电常数测量仪

介电常数测量仪

介电常数是描述介质对外电场响应的重要参数，随着学习的不断深入，对介电常数的认识也会越来越深刻。在教学中人们也在不断进行研究创新，力求能够使学生全面深刻地理解掌握介电常数反映物质属性的内容，根据介质中是否有可以自由运动的电荷可以分为导体和电介质。导体中具有可以自由运动的 电荷，可以形成静电感应和电流现象，而电介质中电 荷只能做短程运动形成极化现象，极化电荷使电介质 内部电场强度减弱。作为麦克斯韦方程组的补充条件：物态方程D(→)=εE(→)，其中介电常数是描述材料对外电场响应的重要参数，反映了电荷在介质中的运动情况。

一、标量介电常数

大学物理是理工科大学生获得物理知识的重要 途径，电磁学部分含有电介质的电场也是大学物理教 学的重点内容。通常都会介绍电介质的唯象理论，根 据构成电介质的分子的正负电荷中心是否重合，可以分为极性分子和非极性分子。有外电场作用时，电介质会出现极化现象。对于极性分子构成的电介质会出 现电偶极子转向极化，对于非极性分子构成的电介质 会出现位移极化。

二、介电常数的矩阵表示形式

在固体物理学和材料物理学中，都会介绍晶体结构和性质的内容。由于晶体具有周期性结构，根据对称性可以分为七大晶系，按照对称性由低到高分别为三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系、三角晶系、 六角晶系和立方晶系。在立方晶体中光的传播是各向同性的，在其他六个晶系的晶体中，光传播的共同特点是各向异性。

对于属于立方晶系的晶体，介电常数矩阵的对角 元相等，介电常数可以用单一的常数ε=ε11来描述。 属于三方晶系、四方晶系和六方晶系的晶体是单轴晶体，单轴晶体的光学性质具有旋转对称性，有些单轴 晶体对于电位移矢量D(→)平行和垂直于光轴的两种线偏 振光的吸收相差较大可以制作起偏器。属于正交晶 系、单斜晶系和三斜晶系的晶体都是双轴晶体，有些 晶体对于D(→)分别平行于三个主轴的三种线偏振光的吸收各不相同，因此透射光呈现不同的颜色，这种现象 被称为晶体的三向色性。

三、有能量耗散时的复介电常数

1.导体情况。在讨论有导体存在时电磁波的传播时，在导体表面上，电磁波与导体中的自由电荷相互作用，会在导体表层上引起电流。电流使得投向导体表面的部分电磁波向空间反射，另外一部分电磁波能量进入导体内部，形成导体表面薄层内的电磁波，最后通过传导电流把这部分能量耗散为焦耳热。为了讨论方便，人们引入复介电常数,其中 虚数部分描述传导电流的贡献，引起能量损耗。对于高频电磁波，电磁场以及和它相互作用的高频电流仅集中于表面很薄的一层内，这种现象被称为趋肤效应。

2.电介质情况。考虑到物质的微观结构，可以有不同的极化机制：电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化等。根据建立极化所需要的时间长短不同，可分为快极化和慢极化。电子位移极化、离子位移极化建立的时间很短，属于快极化，并且没有能量损耗，而偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化属于慢极化， 建立极化的时间较长，有能量损耗。

对于交变电场，电介质被反复极化，如果极化变 化较慢跟不上外电场的变化就会出现介电损耗，这时介电常数就需要被推广为复数εr=ε′ r+iε″ r，其中实部ε′ r与静态相对介电常数的物理意义系统，反映了电介质极化过程中储存电荷能力的大小，虚部ε″r表示电介质极化过程中的能量损耗。若引入复介电常数的概念，则其实部反映了电介质在极化过程中储存能量的能力，而其虚部则描述了极化过程中的能量耗散。

若介电常数的实部与虚部的实验数据正好构成一个半圆弧，则该材料属于理想德拜弛豫，并只有一种主要极化机制存在。若实验数据构成两个或多个半圆弧，则说明有两种或多种主要极化机制起作用。 若实验数据构成一个半圆弧加一“尾巴”，则说明该材料为高损耗材料，并存在界面极化机制。界面极化等 空间电荷极化机制只在低频下才有响应，而且总伴随 着电导，故而表现为随频率趋于零出现损耗急剧上升的现象，最终的结果表现在Cole-Cole圆中便是右侧出 现一条上翘的“尾巴”。

四、具有非线性效应的介电常数

由于大部分电介质的禁带宽度在5eV以上，因而在可见光频段，即波长为460—760nm的范围内是透明的。在激光问世之前，基本上是弱光束在介质中的传 播，介质光学性质的折射率或极化率与光的强度无关，介质的极化强度P(→)正比于光波的电场强度E(→)。当激光光波的电场强度可与原子内部库仑场相比拟时，在入射光波电场的作用下，介质中的原子或分子会发生极化而形成附加电场，

在二阶非线性光学介质中，折射率的变化与电场 强度的一次线性项成正比，称为普克尔效应。对于具有中心对称性的介质，其非线性极化主要由三阶项描述，质的折射率的改变为Δn=χ^（3）E(→)²，在三阶非线性光学介质中，介质折射率的变化将正比于光强的折射率变化称为光学克尔效应。能量较高的激光光束会 使介质产生线性光学中不明显的许多新现象，如：线 性光电效应、光学混频、光学克尔效应、受激拉曼散射、受激布里渊散射等。非线性效应在光纤通信的信 号传输和调控中具有重要影响。

介电常数对描述材料对外电场的响应具有重要 意义，本文对介电常数在不同学科领域中的具体表现 形式做了较为全面的介绍，如表3所示。介电常数的学 习也是一个贯彻大学四年持续不断深入的过程，通过本文笔者希望能够帮助大家提高对介质极化过程的 认识，促进大家对电磁场与物质相互作用的理解和掌握。

介电常数测量仪技术参数：

型号：ZJD-C

信号源：DDS数字合成信号

频率范围：100KHZ-160MHZ

Q分辨率：4位有效数，分辨率0.1

电感测量范围：1nH～140mH,；分辨率0.1

信号源频率精度： 3×10-5 ±1个字,6位有效数

Q值测量范围： 1～1023自动/手动量程

Q值量程分档： 30、100、300、1000、自动换档或手动换档

信号源频率覆盖比：16000:1

采样精度：12BIT

Q测量工作误差：＜5%

电感测量误差：＜3%

电容直接测量范围：1pF～2.5uF

调谐电容误差分辨率：±1pF或＜1%

主电容调节范围：17～540pF

谐振点搜索：自动扫描

自身残余电感扣除功能：有

大电容值直接显示功能：有

介质损耗系数精度：万分之一

介质损耗测试范围：0.0001-1

介电常数测试范围：0-1000

环境温度：0℃～+40℃

消耗功率：约25W

LCD显示参数：F,L,C,Q,LT,CT,波段等

Q合格预置范围： 5～1000声光提示

电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz

材料测试厚度： 0.1-10mm

夹具插头间距： 25mm±0.01mm

夹具损耗正切值：≤4×10－4 （1MHz）

测微杆分辨率：0.001mm

准确度：150pF以下±1pF；150pF以上±1%

测试极片：材料测量直径Φ38mm或50mm（二选一），厚度可调 ≥ 15mm