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1、电介质物理实验指导书电介质材料击穿测试与分析一、实验目的1. 掌握耐压测试仪的使用方法；2. 电子元件、介质材料的耐压和击穿实验的基本方法。二实验仪器CY2671 万能击穿装置，介质测量夹具，纸介（或其它介质）材料。三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
2、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。五基本实验步骤1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）； 2测试线端（鳄鱼头）和地线端分别接到测试样品的夹具两端； 3关好安全门，打开电源至通位置，绿色指示灯亮；4. 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”附近处，可用小螺丝刀调节“电流”“电压”字样孔的电
3、位器使之满足；5. 测试 1 校准向“测试”确认样品已放入夹具内；6. “漏电流选择”，“漏电范围”分别为“ 1ma”和“1ma”量程至适当位置；7. “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；8. 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；9. 每种材料测 5 次，求其平均击穿电压。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。四实验数据及分析1、实验数据次数材料123452、实验分析备注：参考击穿电压值材料直流（V）交流（V）纸介40
4、0340涤纶介5001700电介质材料介电系数和损耗角正切的频率特性测试一、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E： 和tgB的
5、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 =c/co对平板试样，电介质材料的介电系数 可由公式求得：0.036兀 Ch =A其中平板试样电容C的单位为pF，A的单位为mJ h的单位为m。对于式样是圆形平板时，A二兀D2/4，则:1) 二 0.144 hCD2需 着 电 验 即高频发生器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
6、量之间有一定夹角，正如实 一所提到的此角即为介质损耗角。6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6 的正切 tg6 来表示。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Qj 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：Q11U wCR1LO (C + C )(R + R )2xx式中 R 可从图所示等值变换计算确定。 s二 C + C 二丄2 xO 2 L
7、所以二 C - C12因为1jCQjO(C + C )2xRx1 + jo(C + C )R2x x1+jCQR jo(C + C )R21 + O2(C + C )2 R22 x sxR - js1OCQ1oC21根据实部相等，得 OCQOC R 2OC R 21 x U1 x1 +O2C2R2O2C2R21 x1 x所以C u C u C + C1Q2x而则所以= oCR +oC RL1Q2xOC R Cx x 1tg8Q2Q1Q2 Q1 丿11= + QOC R11 xC (Q - Q )1 1 -QQ (C -C)1 2 1 22)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
8、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C 也就是公x式（1）中的C。设第一次不接C时谐振电容为C，谐振频率f，第二次插入C改变谐振电x 1 1 x容器的电容，谐振频率仍为 f ，使电路从新起振此时电容值为 C 由于 f 不变，所以1 2 1C = C + C。x 1 2四、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L的两端，对Q表调零；x3. 选择一适当电感接到L两端；X4. 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C，若未知电容数值1较小， C 调到较小的电容值附近；15. 调节信号源的
9、频率f使测试回路谐振，也就是Q达到最大值，记录频率f止匕时的Q记为Q1；6. 将被测电容接在C的两端，保持f不便，重复步骤3调节，此时的Q记为Q2；x7. 利用公式（1）、公式（2）,计算频率于时的Cx， tan；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）。五、实验要求1、测量不同波段的频率f、C、C，Q、Q ；12122、计算不同频率f的e、tan 5，列表并做出 - f、tan5 f曲线；3、分析数据，完成实验报告。、，亠-7-.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
10、不得靠近测试件，以免人体感应造成测量误差。六、实验数据与分析1、实验数据电介质介电常数和损耗角正切的温度特性测试一、实验目的1、了解有机、无机电介质材料的*，tan6随温度的变化规律。2、掌握用RLC测试材料电容C和tan 6的方法。3、研究介质材料的* 和 tan6 随温度变化的特性。二、实验原理介电常数和介质损耗角正切tan6是电容器和电介质材料特性的两个重要参数，正确测 量和tan6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
11、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 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：0C =C0对于平板式样，其几何电容C为0A二 一式中 A 式样的面积（ m 2）；H 式样的厚度（m）； o 真空介电系数（F /m）；沁 8.85 x 10-12(F / m)1由于 =o 4兀 x 9 x 109因此，平板式样的相对介电系数为：C C Ch36k X109 Chf2 C A / h AA0 0 0若平板式样的电容C为批pF,上式变为0.036kCh A对于式样是圆形平板时， A -kD2/4
12、 ，则 - 0.144 竺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62 D412-0-144 心12D、D 分别对应于园环的外直径与内径（m ）。12对于管形试样，同样可以推出相应的计算公式CC D -0.018 In jCL D02式中 L电极的长度（m）；D、D 分别对应于园管的外直径与内径（m）；12C 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
13、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&，通常把此角称为介质损耗角。从图中可以看出：6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0的正切tg6来表示。UG显然，对于并联:tgS -1UCC Rxx对于串联：IRtgo =s = C RI / Cs ss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:S圏一）串联 3）并联U2P 二 U2G 二U2Ctgx R x xx或者U2=U 2CstgSx 1 + tg 28x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 tan 8 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：Cs1 + tg 25x
