电介质材料的介电常数和损耗的频率特性
介电性的名词解释
介电性的名词解释介电性（Dielectricity）是物质在电场作用下的一种特性，即自身对电场的响应能力。
它是通过介电常数来描述的，是物质导电性之外的又一个重要电学性质。
一、介电常数的定义和意义在电场中，当介质处于电中性状态时，介质中的原子或分子会发生极化。
介质中的正负电荷分布不均匀，形成了电偶极子。
这种极化现象导致介质局部电场的发生，进而改变外加电场在介质中传播的速度和方向。
介质的介电常数衡量了这种电场与外加电场之间的关系。
介电常数（Dielectric constant）是介质相对真空、空气或其他参考介质的电容率。
它与介质的极化能力相关，表示了介质在电场中相对于真空的电极化程度。
介电常数的数值决定了介质中电场的传播速度、能量储存能力和电容性质。
二、介电性的作用与应用1. 绝缘材料：介电性在电气工程中具有重要的应用。
高介电常数的介体材料被广泛用于电子器件的绝缘层，以防止电流泄露或电容效应。
2. 电子元件：介电性可用于制造电容器、电介质和电绝缘材料。
电容器是一种能储存电能的元件，它由两个导体之间的介电层组成。
各种介质具有不同的电导率，选择合适的介质可以达到所需的电容性能。
3. 变压器和电力系统：介电性对电力系统的传输和变换具有重要影响。
变压器中的互感器通过将磁场感应传递到二次线圈来传输能量，而介质的介电常数决定了能量传输效率。
4. 天线和微波通信：介电性是天线和微波通信中考虑的重要参数。
根据不同的应用需求，选择具有特定介电常数的材料可以改善天线和微波设备的性能。
5. 光学应用：介电性也在光学领域具有重要作用。
某些介电材料具有较高的折射率，用于制造透镜和光学纤维。
同时，调节介质的介电常数可以改变光的传播速度和折射特性。
三、介电性的影响因素介电常数的数值取决于多个因素：1. 分子结构：不同分子的电荷分布和排列方式决定了介质的极化程度和介电常数。
2. 温度和频率：随着温度的升高或频率的增加，介电常数通常会发生变化。
介电材料的频率响应及性能研究
介电材料的频率响应及性能研究近年来，介电材料的研究备受关注。
作为一种具有极强电介质性质的材料，它在电子器件、通信等领域具有广泛应用前景。
介电材料常常需要在不同频率范围内工作，因此研究其频率响应及性能变得至关重要。
本文将探讨介电材料的频率响应特性以及对其性能影响的研究进展。
首先，我们来了解一下介电材料的频率响应。
在不同频率下，介电材料对电磁波的响应和传导方式不同。
频率较低时，介电材料主要表现为储存电荷的能力，即电容。
频率较高时，由于材料内部的电偶极翻转不能跟随外界电场的变化，介电材料呈现出加速电荷的能力，即电导率增加。
因此，介电材料的频率响应通常是非线性的。
其次，介电材料的频率响应对其性能具有重要影响。
频率响应的研究可以帮助我们了解介电材料在实际应用中的表现及优化空间。
例如，在介电谐振器的研究中，研究人员发现了一些控制介电材料频率响应的方法，如调节材料的厚度、结构和添加适当的杂质等。
这些方法可以显著改善介电材料的性能，提高电路的工作效率和稳定性。
进一步地，研究表明介电材料的频率响应与材料结构的微观调控密切相关。
例如，一些研究表明，通过改变介电材料的晶体结构，可以调节材料的频率响应范围和幅度。
另外，控制材料内部的缺陷和杂质分布，也可以对介电材料的频率响应产生显著影响。
这些研究成果对设计和制备具有特定频率响应范围和优良性能的介电材料具有指导意义。
除了频率响应，介电材料的性能研究还涉及其各个方面。
例如，介电常数是衡量介电材料电性能的重要指标之一。
研究人员通过将多种材料组合在一起，制备出具有高介电常数和低介电损耗的介电复合材料。
这种材料在电子器件中的应用潜力巨大，可以提高电信号的传输效率。
另外，介电材料的热稳定性也是一个研究热点。
高温环境下，介电材料的性能容易发生变化。
通过研究材料的热膨胀系数、热导率等参数，可以预测和改善介电材料在高温环境中的性能。
这对于电子器件在高温条件下的可靠性和稳定性至关重要。
总之，介电材料的频率响应及性能研究是一个具有挑战性和应用价值的领域。
陶瓷 介电常数 介电损耗
陶瓷介电常数介电损耗
陶瓷是一种常见且重要的结构材料，具有优异的机械、热学和电学性能。
其中，介电性能是陶瓷的重要特征之一，其介电常数和介电损耗对陶瓷的应用性能有着重要影响。
介电常数是材料在电场作用下的电极化能力，可用于描述材料在电介质中的被电化程度。
陶瓷的介电常数通常较高，具有良好的电绝缘性能和电容性能，因此广泛应用于电子元器件、电容器、介电隔离器等领域。
介电损耗是指材料在电场作用下的能量损耗，在高频电场下表现为电容器的电阻，可用于描述材料中电荷的运动和耗散效应。
陶瓷的介电损耗通常较低，具有良好的电信号传输性能和稳定性，因此广泛应用于微波元器件、滤波器、天线等领域。
在实际应用中，陶瓷的介电常数和介电损耗受到多种因素的影响，如材料成分、微观结构、制备工艺等。
因此，研究陶瓷的介电性能及其影响因素，对于优化陶瓷材料的性能和拓展其应用具有重要意义。
- 1 -。
电介质的介电常数
03.05.2019
第一章 电介质的极化、电导和损耗
1．介电常数与温度的关系
f
03.05.2Βιβλιοθήκη 19第一章 电介质的极化、电导和损耗
几种极性液体的介电常数
DEr 0E
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第一章 电介质的极化、电导和损耗
2．介电常数与频率的关系
No Image
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第一章 电介质的极化、电导和损耗
二、液体电介质的介电常数
1．中性液体电介质
中性液体电介质的介电常数不大，其值在1.8～2.8范
围内。介电常数与温度的关系是与单位体积中分子数与温 度的关系接近一致。
2．极性液体电介质
这类介质通常都具有较大的介电常数，如果作为电容 器的浸渍剂，可使电容器的比电容增大。但这类电介质通 常都伴随着一个缺点，就是在交变电场中的介质损较大， 故高压绝缘中很少应用，只有蓖麻油和几种合成液体介质 在某些场合有应用的。
1.2 电介质的介电常数
一、介电常数的物理意义：
No Image
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εr： 相对介电常数
第一章 电介质的极化、电导和损耗
一、气体电介质的介电常数
任何气体的介电常数均随温度的升高而减 小，随压力的增大而增大，但影响都很小。 因此，标准电容器可用气体介质。
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第一章 电介质的极化、电导和损耗
三、固体电介质的介电常数
1.中性固体电介质
其介电常数较小
2.极性固体电介质
这类介质的介电常数都较大，一般：3-6，还 有更大的。
属于极性固体电介质：树脂、纤维、橡胶、有 机玻璃、聚氯乙烯、涤纶等。
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第一章 电介质的极化、电导和损耗
电介质物理及其应用-极化和介损部分
3.介质极化的宏观参数—介电常数
电介质的介电常数(εr)是描述电介质极化的宏观参数.
r
D
解： P cos
00
P
900 0
1800 P
0E
D、E——分别为电介质中电感应强度、宏观电场强度 介电常数的意义：用平板电容器为例进行说明
极化前
极化后
Dx = qEi / k
q Ei a Ei k
2
x
4 0 a 3 Ei Ze
a
Ei
qx
e 4 0 a 3
q2 k
e Zex 4 0 a 3 Ei
异性离子的相互作用势能为：
u x q2 b 4 0 x 4 0 x n
n 1 q 解得： k 3
4 0 a
∴离子极化率为： a E
、
i
q 2 4 0 a 3 k n 1
偶极分子位能大小：
u ql E 0 Ei 0 Ei cos
离子中心距离a可以认为是正、负离子的半径之和
a
4 0 r r n 1
α—极化率，单位是Fm2，
P Nμ i N E i
Cm Cm F m2 V/m V
2
所以极化强度P又可表示为：
P 0 r 1 E N Ei
⑤夹层（界面）极化 说明：在实际介质中，往往是多种机化并存！
r 1
N E i (克劳休斯Clausius 方程) 0E
建立时间约为10-12~10-13s,当交变电场的 特点： 频率f<红外光频率时，离子极化来得及建立。
介电常数和介质损
不允许的。因而试验时，电极和样品系统放在一个密封罩内进行.
介电常数和介质损耗角正切
介电常数和介质损耗角正切
在电场作用下，能产生极化的一切物质又被称之为电介质。电介 质在电子工业中用来做集成电路的基板、电容器等。如果将一块 电介质放入一平行电场中，则可发现在介质表面感应出了电荷， 即正极板附近的电介质感应出了负电荷，负极板附近的介质表面 感应出正电荷。这种电介质在电场作用下产生感生电荷的现象， 称之为电介质的极化。 感应电荷产生的原因在于介质内部质点 (原子、分子、离子)在电场作用下正负电荷重心的分离，变成了偶 极子。不同的偶极子有不同的电偶极矩，电偶极矩的方向与外电 场方向一致。
高分子材料的ε由主链结构中的键的性能和排列所决定。
• 分子结构极性越强, ε和tg越大. 非极性材料的极化程度小,ε和tg都较小.
• 极性取代基团影响更大,其数目越多, ε和tg越大
介电性的应用
tg 大，损耗大，材料发热。 • 电容介质 大，tg 小
作绝缘材料或电容器材料的高聚物,介电损耗越小越好
• 试样发生以下两种情况之一视为破坏: (1)试样表面两电极间的导电通路电流达0.5A以上，且过流继电 器延时2s发生动作； (2)虽过流继电器未发生动作，但试样燃烧了
影响因素
(1)试样表面状态 表面应清洁，无灰尘、脏物、指印、油脂、脱模剂或
其他影响结果的污物。表面污染极易使电极间的试样产生漏痕，因此试
验前应对试样表面进行清洁处理。
(2)试验点间距选择 如果在同一片试样上做多点试验，则应注意试验点之
间要有足够的距离。该间距的大小应选在前一次试验后飞溅出的污物所
污染的部分以外，否则使结果发生偏差。
(3)环境条件的影响
除保持温度在23±1℃条件下试验外，还应注意周
介电常数研究生
形式散发，极值频率m 1区域称弥散区域。 0.01 100的区间称弥散区。
③.高频下，电场变化很快，周期很短，几乎比弛豫时间还短得多，弛豫极化完全
跟
不上电场
变
化，只有
瞬时极化
发
生，
' r
光
频介
极化无
损耗。
④.温度升高时，弥散区域向高频方向移动，
' r
发生剧烈变化的区域向高频区移动，
25
损耗因子
在真空中的平行平板式电容器两极板上加交变电压V=Voeit， 电容上的电流与外电压相差90o的位相。
由 Q=CoV
V=Q/Co=Idt/Co
I=CodV/dt
电容上的电流： Io=iCoV
两极板间充入非极性完全绝缘的材料，
电容上的电流：I=iCV= irCoV= rIo
26
如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位相同的小电 流（I= iCV+GV）通过
极化类型
电介质的极化
电子极化 电子云与原子核的相对位移诱导电偶极 子
离子极化 阴、阳离子的相对位移诱导电偶极子
转向极化 固有电偶极子的指向在外场中转向
空间电荷极化 在绝缘体界面移动载流子形成的极化
20
电子极化
电子极化由电子云构成的负电 荷中心(-Ze0)在外电场中相对 于带正电的原子荷(+Ze0)的位 移引起的
12
1 介电常数
dielectric constant
表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数， 用ε表示，无量纲。
2 极化 polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极 性随电场方向改变的现象，称为电介质的极化。
电介质材料的介电性能测试
电介质材料的介电性能测试电介质材料在电子器件和电力系统中具有重要的应用，其介电性能是评价材料质量和可靠性的重要指标。
介电性能测试是通过一系列测试方法和仪器来评估电介质材料在电场作用下的性能，包括介电常数、介质损耗、绝缘电阻等参数。
本文将简要介绍电介质材料的介电性能测试方法及其应用。
一、介电性能测试方法1. 介电常数测试介电常数是描述电介质材料在电场作用下储存和传输电能能力的重要参数。
常用的测试方法有：（1）并行板法：该方法通过测量电容器的电容值来计算电介质材料的介电常数。
具体步骤是将待测介质固定在两块平行金属板之间，然后测量电容器的电容值。
（2）回波法：该方法基于微波信号在电介质中传播的速度，通过测量信号的传输时间来计算介电常数。
测试时需要利用衰减器和定频放大器等设备，以确保测试结果的准确性。
2. 介质损耗测试介质损耗是指电介质材料在电场作用下吸收和转化电能为热能的能力。
常用的测试方法有：（1）三角法：该方法通过测量电介质材料在高频电场下的导体损耗和介质损耗之比来计算介质损耗的值。
具体步骤是将待测介质固定在电容器之间, 通过改变电容器的频率来测量两种损耗的值。
（2）传输线法：该方法利用特制的传输线测量电介质材料在特定频率下的损耗。
测试时需使用网络分析仪等仪器，通过测量信号的功率损耗来计算介质损耗的值。
3. 绝缘电阻测试绝缘电阻是指电介质材料在电场作用下抵抗漏电流流动的能力。
常用的测试方法有：（1）绝缘电阻表法：该方法通过将待测电介质样品与电极相连，用绝缘电阻表测量电介质材料的绝缘电阻值。
测试需在规定的电压和温度条件下进行。
（2）恒压法：该方法通过给待测电介质样品施加较高的电压来测量绝缘电阻值。
测试时需使用电压源和电流表等设备，以实现电介质样品上常态电流的测量。
二、介电性能测试的应用1. 电子器件领域介电性能测试在电子器件领域中具有重要应用。
例如，在电容器的制造过程中，通过测试介质材料的介电常数和介质损耗，可以评估电容器的质量和性能稳定性。
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〈一〉实验目的 〈二〉实验仪器 〈三〉实验原理 〈四〉操作步骤 〈五〉数据处理
〈一〉实验目的
1．熟练掌握MODEL TH2816型宽频LCR数字电桥的使用；
2．测量几种介质材料的介电常数 和介质损耗角正切 （tan）与频率的关系，从而了解它们的 、tan 的频
原因，并分析产生误差的可能性； 4. 比较不同偏压下的ε , tg δ与频率关系曲线的异同，
并分析原因。
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
介电损耗值，即 tan /， 又称介质损耗因数。δ是电 介质的电位移D由于极化弛豫而落后电场E的一个相位角。 由于介质的各种极化机构在不同的频率范围有不同的响应和
不同频率下产生不同的电导率，所以介质的介电常数和介电
损耗都是随频率的变化而变化。如不考虑边缘效应，平板试
样的电容量可用下式表示：
（5）选择不同的测量频率，测出不同频率下的电容C和损 耗tg δ的值。（可设置的频率范围为：20 Hz — 150 kHz）
（6）再分别将内偏调到5V, 10V重复测量。
〈五〉数据处理
1. 由测量数据，进行转换:C→ε＇； 2. 用origin软件绘图，绘出 ε＇~ f和 tg δ ~ f关系曲线； 3. 对所得曲线进行分析：分析，tan与频率变化的
电介质的介电损耗一般用损耗角正切tan 表示，并定义
为： 介质损耗的功率（即有功功率）
tan
无功功率
。在直流电场下，电介质内只有
泄漏电流所产生的电导损耗；但在交变电场中，除电导损耗
外还存在着各种形式的极化所产生的损耗，即松弛极化损耗。
此时，复介电常数 i的 虚 部与实部的比值，即为
C 0rs (F)
d
(1)
式中 s —— 电极的面积，米2；d —— 介质的厚度，米；εr— — 介质材料的相对介电常数。
将ε0的值代入（1）式，得到：
C 100r s (Байду номын сангаасpF) 3.6 d
由此得
r
3.6 dC
100s
如果电极呈圆形，当其直径为D米时，介电常数的计算公
式如下：
（2）使用按键[显示A]、[显示B]在LCR上选择测试参数；如 果需要测量的是电容C和损耗tan，则不需要另外选择。 等待仪器稳定20 分钟后，对仪器进行清 “0”；
（3）将被测圆形陶瓷片接在测试夹具上，并将样品由测试 架引出的两极接入LCR数字电桥。
（4）选择合适的等效方式：按“等效”键即可选择串、并 联或自动等效方式（即将被测器件看作是串联或并联的 等效方式），当选择“自动”时，仪器将自动选择。
率特性。
〈二〉实验仪器
TH2816型宽频LCR数字电桥、样品
〈三〉实验原理
介电常数，又称电容率，是电位移D与电场强度E之比 = D/E ，其单位为F/m ，真空的介电常数 F/m ，而相对介电 常数为同一尺寸的电容器中充入电介质时的电容和不充入电 介质时真空下的电容之比。介电常数小的电介质，其分子为 非极性或弱极性结构，介电常数大的电介质，其分子为极性 或强极性结构。在交变电场作用下，电介质的介电常数为复 数，复介电常数的实部与上述介电常数的意义是一致的，而 虚部表示损耗。介质的介电损耗是指由于导电或交变电场中 极化弛豫过程在电介质中引起的功率损耗。这一功率损耗是 通过热耗散把电场的电能消耗掉的结果。
r
14.4
dC 100D2
— 其所用单位d ——米， Ｃ pF , D ——米。
〈四〉操作步骤
（1）接通电源，电桥开始自检。自检结束后，面板显示： 显示A：C（电容） 显示B：D（即损耗tan） 显示C： F（显示：1.00kHz） 速度：慢（40ms A/D积分时间） 读数：直读 等效： 串联 偏置：OFF 方式：连续 量程：自动 打印：OFF