介電常數測量儀
介電常數是描述介質對外電場響應的重要參數,隨著學習的不斷深入,對介電常數的認識也會越來越深刻。在教學中人們也在不斷進行研究創新,力求能夠使學生全面深刻地理解掌握介電常數反映物質屬性的內容,根據介質中是否有可以自由運動的電荷可以分為導體和電介質。導體中具有可以自由運動的 電荷,可以形成靜電感應和電流現象,而電介質中電 荷只能做短程運動形成極化現象,極化電荷使電介質 內部電場強度減弱。作為麥克斯韋方程組的補充條件:物態方程D=εE,其中介電常數是描述材料對外電場響應的重要參數,反映了電荷在介質中的運動情況。
一、標量介電常數
大學物理是理工科大學生獲得物理知識的重要 途徑,電磁學部分含有電介質的電場也是大學物理教 學的重點內容。通常都會介紹電介質的唯象理論,根 據構成電介質的分子的正負電荷中心是否重合,可以分為極性分子和非極性分子。有外電場作用時,電介質會出現極化現象。對于極性分子構成的電介質會出 現電偶極子轉向極化,對于非極性分子構成的電介質 會出現位移極化。
二、介電常數的矩陣表示形式
在固體物理學和材料物理學中,都會介紹晶體結構和性質的內容。由于晶體具有周期性結構,根據對稱性可以分為七大晶系,按照對稱性由低到高分別為三斜晶系、單斜晶系、正交晶系、四方晶系、三角晶系、 六角晶系和立方晶系。在立方晶體中光的傳播是各向同性的,在其他六個晶系的晶體中,光傳播的共同特點是各向異性。
對于屬于立方晶系的晶體,介電常數矩陣的對角 元相等,介電常數可以用單一的常數ε=ε11來描述。 屬于三方晶系、四方晶系和六方晶系的晶體是單軸晶體,單軸晶體的光學性質具有旋轉對稱性,有些單軸 晶體對于電位移矢量D平行和垂直于光軸的兩種線偏 振光的吸收相差較大可以制作起偏器。屬于正交晶 系、單斜晶系和三斜晶系的晶體都是雙軸晶體,有些 晶體對于D分別平行于三個主軸的三種線偏振光的吸收各不相同,因此透射光呈現不同的顏色,這種現象 被稱為晶體的三向色性。
三、有能量耗散時的復介電常數
1.導體情況。在討論有導體存在時電磁波的傳播時,在導體表面上,電磁波與導體中的自由電荷相互作用,會在導體表層上引起電流。電流使得投向導體表面的部分電磁波向空間反射,另外一部分電磁波能量進入導體內部,形成導體表面薄層內的電磁波,最后通過傳導電流把這部分能量耗散為焦耳熱。為了討論方便,人們引入復介電常數,其中 虛數部分描述傳導電流的貢獻,引起能量損耗。對于高頻電磁波,電磁場以及和它相互作用的高頻電流僅集中于表面很薄的一層內,這種現象被稱為趨膚效應。
2.電介質情況。考慮到物質的微觀結構,可以有不同的極化機制:電子位移極化、離子位移極化、偶極子轉向極化、離子松弛極化、空間電荷極化等。根據建立極化所需要的時間長短不同,可分為快極化和慢極化。電子位移極化、離子位移極化建立的時間很短,屬于快極化,并且沒有能量損耗,而偶極子轉向極化、離子松弛極化、空間電荷極化屬于慢極化, 建立極化的時間較長,有能量損耗。
對于交變電場,電介質被反復極化,如果極化變 化較慢跟不上外電場的變化就會出現介電損耗,這時介電常數就需要被推廣為復數εr=ε′ r+iε″ r,其中實部ε′ r與靜態相對介電常數的物理意義系統,反映了電介質極化過程中儲存電荷能力的大小,虛部ε″r表示電介質極化過程中的能量損耗。若引入復介電常數的概念,則其實部反映了電介質在極化過程中儲存能量的能力,而其虛部則描述了極化過程中的能量耗散。
若介電常數的實部與虛部的實驗數據正好構成一個半圓弧,則該材料屬于理想德拜弛豫,并只有一種主要極化機制存在。若實驗數據構成兩個或多個半圓弧,則說明有兩種或多種主要極化機制起作用。 若實驗數據構成一個半圓弧加一“尾巴",則說明該材料為高損耗材料,并存在界面極化機制。界面極化等 空間電荷極化機制只在低頻下才有響應,而且總伴隨 著電導,故而表現為隨頻率趨于零出現損耗急劇上升的現象,最終的結果表現在Cole-Cole圓中便是右側出 現一條上翹的“尾巴"。
四、具有非線性效應的介電常數
由于大部分電介質的禁帶寬度在5eV以上,因而在可見光頻段,即波長為460—760nm的范圍內是透明的。在激光問世之前,基本上是弱光束在介質中的傳 播,介質光學性質的折射率或極化率與光的強度無關,介質的極化強度P正比于光波的電場強度E。當激光光波的電場強度可與原子內部庫侖場相比擬時,在入射光波電場的作用下,介質中的原子或分子會發生極化而形成附加電場,
在二階非線性光學介質中,折射率的變化與電場 強度的一次線性項成正比,稱為普克爾效應。對于具有中心對稱性的介質,其非線性極化主要由三階項描述,質的折射率的改變為Δn=χ(3)E2,在三階非線性光學介質中,介質折射率的變化將正比于光強的折射率變化稱為光學克爾效應。能量較高的激光光束會 使介質產生線性光學中不明顯的許多新現象,如:線 性光電效應、光學混頻、光學克爾效應、受激拉曼散射、受激布里淵散射等。非線性效應在光纖通信的信 號傳輸和調控中具有重要影響。
介電常數對描述材料對外電場的響應具有重要 意義,本文對介電常數在不同學科領域中的具體表現 形式做了較為全面的介紹,如表3所示。介電常數的學 習也是一個貫徹大學四年持續不斷深入的過程,通過本文筆者希望能夠幫助大家提高對介質極化過程的 認識,促進大家對電磁場與物質相互作用的理解和掌握。

介電常數測量儀技術參數:
型號:ZJD-C
信號源:DDS數字合成信號
頻率范圍:100KHZ-160MHZ
Q分辨率:4位有效數,分辨率0.1
電感測量范圍:1nH~140mH,;分辨率0.1
信號源頻率精度: 3×10-5 ±1個字,6位有效數
Q值測量范圍: 1~1023自動/手動量程
Q值量程分檔: 30、100、300、1000、自動換檔或手動換檔
信號源頻率覆蓋比:16000:1
采樣精度:12BIT
Q測量工作誤差:<5%
電感測量誤差:<3%
電容直接測量范圍:1pF~2.5uF
調諧電容誤差分辨率:±1pF或<1%
主電容調節范圍:17~540pF
諧振點搜索:自動掃描
自身殘余電感扣除功能:有
大電容值直接顯示功能:有
介質損耗系數精度:萬分之一
介質損耗測試范圍:0.0001-1
介電常數測試范圍:0-1000
環境溫度:0℃~+40℃
消耗功率:約25W
LCD顯示參數:F,L,C,Q,LT,CT,波段等
Q合格預置范圍: 5~1000聲光提示
電源:220V±22V,50Hz±2.5Hz
材料測試厚度: 0.1-10mm
夾具插頭間距: 25mm±0.01mm
夾具損耗正切值:≤4×10-4 (1MHz)
測微桿分辨率:0.001mm
準確度:150pF以下±1pF;150pF以上±1%
測試極片:材料測量直徑Φ38mm或50mm(二選一),厚度可調 ≥ 15mm