材料的介电常数和磁导率的测量

无机材料的介电常数及磁导率的测定一、 实验目的1. 掌握无机材料介电常数及磁导率的测试原理及测试方法2. 学会使用Agilent4991A射频阻抗分析仪的各种功能及操作方法3. 分析影响介电常数和磁导率的的因素二、 实验原理1. 介电性能介电材料(又称电介质)是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负 电荷 重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用极化指在外加电场作用下，构成电介质 材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离， 并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程极化现 象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种15极化机制：电子极化(electronic polarization， 1015Hz)，离子极化(ionic polarization，1012—1013Hz)，转向极化(orientation polarization， 1011—1012Hz)和 空间电荷极化(spacecharge polarization，103Hz)这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化 是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。

而松弛 极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的 消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化相对介电常数(时，简称为介电常数，是表征电介质材料介电性能的最重要的基本 参数，它反映了电介质材料在电场作用下的极化程度e的数值等于以该材料为介质所 作的电容器的电容量与以真空为介质所作的同样形状的电容器的电容量之比值表达式如 下：Q 1：d 1)式中C为含有电介质材料的电容器的电容量；C0为相同情况下真空电容器的电 容量；A 为电极极板面积；d为电极间距离；％为真空介电常数，等于8.85刈0-12F/m另外一个表征材料的介电性能的重要参数是介电损耗，一般用损耗角的正切tan，表示它是指材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应 而引起的 能量损耗材料的介电常数和介电损耗取决于材料结构和极化机理除此之外，还与工 作频率、环境温度、湿度有关在交变电场作用下，材料的介电常数常用复介电常数表达：i ( 2)式中和都是与频率相关的量，二者的比值为tan 6tan ( 3)则介质电导率 tan( 4)式中为交变电压的角频率tan仅与介质有关，称为介质损耗因子，其大 小可以作为绝缘材料的判据。

此外，还有一个表征介电材料耐压性能的物理量一一介电强度当外加电场强度 逐渐增大，超过电介质材料所能承受的临界值时，电介质材料从介电状态向导电状态转 变，这一临界电场强度即为介电强度2.磁导率(Magnetic Permeability)任何介质处于磁场中，均会使其所在空间的磁场 发生变化，这种现象称为磁化在磁场强度为Ho的外加磁场中，介质被磁化后会反过 来影响所在的磁场，使其发生变化，即产生一个附加磁场H'，此时介质所处磁场的总 磁场强度H总为H 总 H0H' (5)单位为安/米(A/m)无外加磁场时，材料中原子固有磁矩的矢量总和为零，宏观上不呈现磁性外加磁 场时，物质被磁化，但是不改变其固有磁矩大小，只改变其取向因此物质的磁化程度可 以用单位体积的磁矩大小来表示，即磁化强度M，其单位为A/mM Pm ( 6)式中Pm表示体积为V磁介质中磁矩矢量和M即上述的附加磁场，它与磁场强度的关 系为M H ( 7)式中X为单位体积的磁化率，量纲为1通过垂直磁场方向单位面积的磁力线束称为磁感应强度，用B表示，其单位为T (特斯拉)，它与磁场强度H的关系为B % (H M ) (8) 式中已=4nx 1项0，单位为H/m (亨/米)，称为真空磁导率。

将式(7)代入式(5)代入可得：B R0 (1 ) H 出H R H (9)式中比为相对磁导率；R为物质磁导率，它反映磁感应强度B随外磁场强度H变化的速率通常使用的是磁介质的相对磁导率，其定义为物质磁导率P与真空磁导率已的比 值，即：此 （10）类似的，在交变磁场中，相对磁导率是一个复数，即（11）阵'表示在磁场作用下产生的磁化程度，反映材料对电磁波能量的存储能力；已”表示外加 磁场作用下材料磁偶矩重排引起的损耗，反映材料对电磁波产生损耗的能力磁性损耗 介质对电磁波的衰减能力通常用损耗正切 tan5 a来表示，其B值越大，衰减能力越 强3.阻抗分析仪测量介电常数和磁导率的原理本实验中使用的仪器是Agilent Technologies公司的生产的E4991A型射频阻 抗分析 仪它采用射频电流-电压（RF-IV）测量技术，依据被测件终端电流和电压来直接测量 1MHz —3GHz频率范围内的阻抗通过测定的高精度的阻抗值，自动计算试样的介电常 数或磁导率，可直接在显示器上读取结果测量介电常数时需将E4991A与夹具 16453A配套使用，测量磁导率时需将E4991A与夹具16454A配套使用。

三实验仪器及试样制备 .1. 实验仪器仪器：Agilent4991A射频阻抗分析仪、16453A夹具、16454A夹具，见图1规格：内置等效电路分析能对被测件的多元件模型进行计算，在扫描频率范围1MHz-3GHz内方便的获取测试数据，彩色LCD/CRT可以同时显示多组测量曲线；先进的校正和补偿方法降低了测量误差测量频率范围：1MHz— 3GHz，分辨率：1mHz;震荡器水平：40dBm_1dBm，分辨率：0.1dBm;输出阻抗：50?;直 流偏压：0一功0 ▽，分辨率：1 mV;直流偏流：100心〜50mA, T00P〜A-50mA，分 辨率：0.01mA2.试样制备①环状试样：夕卜环直径 也卜<20.0mm,内环直径9内^3.1mm，厚度h<8.5 mm;②圆柱或 块状试样：最大夕卜径9大35mm, 0.3mm<厚度h<3mmo四.实验步骤1. 测试前准备：连接主机各种组件，包括电源线，键盘，鼠标，测试端头等，然后开 机，预热0.5h以上2. 选择测试模式：① E4991A 状态初始化：“system” — “preset ”② 设置测量模式：“Utility ” — “ Utility ” — “ Material Option Menu ” — “ Material Type”一选“择测试参数：Permittivity （介电常数）/Permeability （磁导率）”3. 设置测试条件：① 设置显示方式：“Display ”一“ Display” —“Num o： f T3r aSceaslar ”② 设置测试参数：“Meas/Format” — “ Meas/Format” — “ MeasParameter ”一“ Fo:rLmina tY- Axis ”③ 设置扫描参数：“Stimulus ”一“ Sweep Setup/Parame设ter置”扫—描点数（201）及方式（Log）④ 设置振荡水平：“Stimulus ” — “ Source” — “ Osc选U择ni电t ”流（磁导率） 或电压（介电常数 ）⑤ 设置扫描幅度：“Stimulus ” — “ Start/Stop ”—或“Staorpt设””置相应的频率范 围•校正测试端头（7mm端）：① 校正）隹备：“Stimulus ” — “ Cal/Comp” —“Cal Meun[Uncal] ” —：“FCixaeldT ype Freq&Pwr”② 开路校正：“连接0S到7mm端” —“ Meas Open” — “5 Meas Ope逆n”时— 针“卸载0S ”③ 短路校正：“连接0。

到7mm端” —“ Meas Short ” — “5 Meas Sh逆or时t ” 针一“卸载0④ 负载校正：“连接 50到 7mm 端” —“ Meas Load” — “5 Meas Loadt ”— “逆 时针卸载50⑤ 低损耗电容校正：“连接'低损耗电容'到7mm端”一" Meas Low Loss C”—“5 Meas-L L”一“逆时针卸载低损耗电容”一“ Done”屏一幕底端状态Uncal 显示为Cal Fix,校正完毕5.补偿测试夹具：16453A的补偿：① 将16453A连接到7mm端，输入标隹负载厚度0.78mm ：“Stimulus ”一 “Cal/Comp” — “ Cal Kit Meun ” — “ Thickness ”② 选择夹具模式：“Stimulus ” — “ Cal/Comp”— “Fixture Type ” — “16453A”③ 选择校正的测试点类型：“Cal Meun[Uncal] ”一“ Cal Type: Fixed Freq&Pwr ” ④短 路校正：调节释放/提升按钮，使夹具上下电极接触，Meas Short ”一 “5 MeasShort ”⑤ 开路校正：调节释放/提升按钮，使夹具上下电极分开，Meas Open”一“5 MeasOpent”⑥ 负载校正：将标准负载置于上下电极之间，“Meas Load”一“5 MeasLoad” 一“ Don确e”认一屏幕底端状态栏中Uncal变为Cal Fix，校正完毕。

16454A的补偿：①将16453A/16454A连接到7mm端②选择夹具模式： “Stimulus ” — “ Cal/Comp” — “ Fixture Ty 选 pe16454S 或 16454L”③补偿：“Stimulus ” ——Meas Open”—Load” — “5 Meas Load —完毕6.测试与保存：“ Cal/Comp” 一“ Comp M将eu样” n品一托置于测量夹具上“5 MeasO; pe “nt” Meas Short ” — “5 Meas; S “hoMrt e” as 认ne屏”幕一底端状态F变为Cal Fix，补偿① 测试准备：“Utility ” 一“ Utility ” 一“ Material Option 输 Menu ”一入样品实际尺寸”② 测试：安装试验试样，然后“Scale”一“Autoscale，a开ll始”自动测试③ 保存数据：“Save/Recall ”f" Save Data ”IIf”"f As “c Filename ”f“ OK”④关机：“开始菜单”f" Shut down ”关f机并卸载测试夹具及测试端头等六实验内容和要求 .1.教师现场介绍射频阻抗分析仪的原理及构造、演示操作过程及数据分析。

2.学生分组练习设备的操作，并记录分析实验试样的介电常数和磁导率3.将实验结果和分析及以下思考题的答案写在实验报告上七思考题 .1. 影响介电常数和磁导率的因素有哪些？2. 测试过程中需注意哪些事项？。