介電常數(shù)測(cè)量儀

介電常數(shù)是描述介質(zhì)對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)的重要參數(shù)，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，對(duì)介電常數(shù)的認(rèn)識(shí)也會(huì)越來越深刻。在教學(xué)中人們也在不斷進(jìn)行研究創(chuàng)新，力求能夠使學(xué)生全面深刻地理解掌握介電常數(shù)反映物質(zhì)屬性的內(nèi)容，根據(jù)介質(zhì)中是否有可以自由運(yùn)動(dòng)的電荷可以分為導(dǎo)體和電介質(zhì)。導(dǎo)體中具有可以自由運(yùn)動(dòng)的 電荷，可以形成靜電感應(yīng)和電流現(xiàn)象，而電介質(zhì)中電 荷只能做短程運(yùn)動(dòng)形成極化現(xiàn)象，極化電荷使電介質(zhì) 內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度減弱。作為麥克斯韋方程組的補(bǔ)充條件：物態(tài)方程D(→)=εE(→)，其中介電常數(shù)是描述材料對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)的重要參數(shù)，反映了電荷在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)情況。

一、標(biāo)量介電常數(shù)

大學(xué)物理是理工科大學(xué)生獲得物理知識(shí)的重要 途徑，電磁學(xué)部分含有電介質(zhì)的電場(chǎng)也是大學(xué)物理教 學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。通常都會(huì)介紹電介質(zhì)的唯象理論，根 據(jù)構(gòu)成電介質(zhì)的分子的正負(fù)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(chǎng)作用時(shí)，電介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象。對(duì)于極性分子構(gòu)成的電介質(zhì)會(huì)出 現(xiàn)電偶極子轉(zhuǎn)向極化，對(duì)于非極性分子構(gòu)成的電介質(zhì) 會(huì)出現(xiàn)位移極化。

二、介電常數(shù)的矩陣表示形式

在固體物理學(xué)和材料物理學(xué)中，都會(huì)介紹晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的內(nèi)容。由于晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，根據(jù)對(duì)稱性可以分為七大晶系，按照對(duì)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(gè)晶系的晶體中，光傳播的共同特點(diǎn)是各向異性。

對(duì)于屬于立方晶系的晶體，介電常數(shù)矩陣的對(duì)角 元相等，介電常數(shù)可以用單一的常數(shù)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(xué)性質(zhì)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，有些單軸 晶體對(duì)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(duì)于D(→)分別平行于三個(gè)主軸的三種線偏振光的吸收各不相同，因此透射光呈現(xiàn)不同的顏色，這種現(xiàn)象 被稱為晶體的三向色性。

三、有能量耗散時(shí)的復(fù)介電常數(shù)

1.導(dǎo)體情況。在討論有導(dǎo)體存在時(shí)電磁波的傳播時(shí)，在導(dǎo)體表面上，電磁波與導(dǎo)體中的自由電荷相互作用，會(huì)在導(dǎo)體表層上引起電流。電流使得投向?qū)w表面的部分電磁波向空間反射，另外一部分電磁波能量進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部，形成導(dǎo)體表面薄層內(nèi)的電磁波，最后通過傳導(dǎo)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(fù)介電常數(shù),其中 虛數(shù)部分描述傳導(dǎo)電流的貢獻(xiàn)，引起能量損耗。對(duì)于高頻電磁波，電磁場(chǎng)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(nèi)，這種現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)。

2.電介質(zhì)情況?？紤]到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，可以有不同的極化機(jī)制：電子位移極化、離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化、離子松弛極化、空間電荷極化等。根據(jù)建立極化所需要的時(shí)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(shí)間很短，屬于快極化，并且沒有能量損耗，而偶極子轉(zhuǎn)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(shí)間較長，有能量損耗。

對(duì)于交變電場(chǎng)，電介質(zhì)被反復(fù)極化，如果極化變 化較慢跟不上外電場(chǎng)的變化就會(huì)出現(xiàn)介電損耗，這時(shí)介電常數(shù)就需要被推廣為復(fù)數(shù)εr=ε′ r+iε″ r，其中實(shí)部ε′ r與靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)的物理意義系統(tǒng)，反映了電介質(zhì)極化過程中儲(chǔ)存電荷能力的大小，虛部ε″r表示電介質(zhì)極化過程中的能量損耗。若引入復(fù)介電常數(shù)的概念，則其實(shí)部反映了電介質(zhì)在極化過程中儲(chǔ)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(shù)的實(shí)部與虛部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正好構(gòu)成一個(gè)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(jī)制存在。若實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成兩個(gè)或多個(gè)半圓弧，則說明有兩種或多種主要極化機(jī)制起作用。 若實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)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(jī)制。界面極化等 空間電荷極化機(jī)制只在低頻下才有響應(yīng)，而且總伴隨 著電導(dǎo)，故而表現(xiàn)為隨頻率趨于零出現(xiàn)損耗急劇上升的現(xiàn)象，最終的結(jié)果表現(xiàn)在Cole-Cole圓中便是右側(cè)出 現(xiàn)一條上翹的“尾巴"。

四、具有非線性效應(yīng)的介電常數(shù)

由于大部分電介質(zhì)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(nèi)是透明的。在激光問世之前，基本上是弱光束在介質(zhì)中的傳 播，介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的折射率或極化率與光的強(qiáng)度無關(guān)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P(→)正比于光波的電場(chǎng)強(qiáng)度E(→)。當(dāng)激光光波的電場(chǎng)強(qiáng)度可與原子內(nèi)部庫侖場(chǎng)相比擬時(shí)，在入射光波電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)中的原子或分子會(huì)發(fā)生極化而形成附加電場(chǎng)，

在二階非線性光學(xué)介質(zhì)中，折射率的變化與電場(chǎng) 強(qiáng)度的一次線性項(xiàng)成正比，稱為普克爾效應(yīng)。對(duì)于具有中心對(duì)稱性的介質(zhì)，其非線性極化主要由三階項(xiàng)描述，質(zhì)的折射率的改變?yōu)?span>Δn=χ^（3）E(→)²，在三階非線性光學(xué)介質(zhì)中，介質(zhì)折射率的變化將正比于光強(qiáng)的折射率變化稱為光學(xué)克爾效應(yīng)。能量較高的激光光束會(huì) 使介質(zhì)產(chǎn)生線性光學(xué)中不明顯的許多新現(xiàn)象，如：線 性光電效應(yīng)、光學(xué)混頻、光學(xué)克爾效應(yīng)、受激拉曼散射、受激布里淵散射等。非線性效應(yīng)在光纖通信的信 號(hào)傳輸和調(diào)控中具有重要影響。

介電常數(shù)對(duì)描述材料對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)具有重要 意義，本文對(duì)介電常數(shù)在不同學(xué)科領(lǐng)域中的具體表現(xiàn) 形式做了較為全面的介紹，如表3所示。介電常數(shù)的學(xué) 習(xí)也是一個(gè)貫徹大學(xué)四年持續(xù)不斷深入的過程，通過本文筆者希望能夠幫助大家提高對(duì)介質(zhì)極化過程的 認(rèn)識(shí)，促進(jìn)大家對(duì)電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的理解和掌握。

介電常數(shù)測(cè)量儀技術(shù)參數(shù)：

型號(hào)：ZJD-C

信號(hào)源：DDS數(shù)字合成信號(hào)

頻率范圍：100KHZ-160MHZ

Q分辨率：4位有效數(shù)，分辨率0.1

電感測(cè)量范圍：1nH～140mH,；分辨率0.1

信號(hào)源頻率精度： 3×10-5 ±1個(gè)字,6位有效數(shù)

Q值測(cè)量范圍： 1～1023自動(dòng)/手動(dòng)量程

Q值量程分檔： 30、100、300、1000、自動(dòng)換檔或手動(dòng)換檔

信號(hào)源頻率覆蓋比：16000:1

采樣精度：12BIT

Q測(cè)量工作誤差：＜5%

電感測(cè)量誤差：＜3%

電容直接測(cè)量范圍：1pF～2.5uF

調(diào)諧電容誤差分辨率：±1pF或＜1%

主電容調(diào)節(jié)范圍：17～540pF

諧振點(diǎn)搜索：自動(dòng)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(zhì)損耗系數(shù)精度：萬分之一

介質(zhì)損耗測(cè)試范圍：0.0001-1

介電常數(shù)測(cè)試范圍：0-1000

環(huán)境溫度：0℃～+40℃

消耗功率：約25W

LCD顯示參數(shù)：F,L,C,Q,LT,CT,波段等

Q合格預(yù)置范圍： 5～1000聲光提示

電源：220V±22V，50Hz±2.5Hz

材料測(cè)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(cè)微桿分辨率：0.001mm

準(zhǔn)確度：150pF以下±1pF；150pF以上±1%

測(cè)試極片：材料測(cè)量直徑Φ38mm或50mm（二選一），厚度可調(diào) ≥ 15mm