《材料物理性能综合实验》实验讲义 实验一材料介电常数的测试和分析 【实验目的】 1.理解介电常数的物理意义和测试原理。 2.掌握固体介质相对介电常数的测定方法。 3.掌握液体介质相对介电常数的测定方法。 【实验原理】 从基础电学我们已经知道，一个平板电容器的容量C与平板的面积A成正比，而与板间 的距离d成反比。这里的比例常数e称为静态介电常数。写成 (1) 根据C=Q/少可知，如果在电容器两极板间放入电介质，则这个电容器的电容就要增加。 带有电介质的电容C与不带有电介质（真空）的电容C之比称为介质的相对介电常数6， 表示为 6,C 3 因此，式(2)可以写成 C=66,A1d (3) 6称为真空介电常数。它们都是无量纲的正数，反映了电介质材料在静电场中的极化特性。 用于衡量绝缘体储存电能的性能，代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力： 1、固体介质相对介电常数的测定
《材料物理性能综合实验》实验讲义 实验一 材料介电常数的测试和分析 【实验目的】 1. 理解介电常数的物理意义和测试原理。 2. 掌握固体介质相对介电常数的测定方法。 3. 掌握液体介质相对介电常数的测定方法。 【实验原理】 从基础电学我们已经知道，一个平板电容器的容量 C 与平板的面积 A 成正比，而与板间 的距离 d 成反比。这里的比例常数ε称为静态介电常数。写成 A C d （1） 根据 C=Q/V 可知，如果在电容器两极板间放入电介质，则这个电容器的电容就要增加。 带有电介质的电容 C 与不带有电介质（真空）的电容 C0之比称为介质的相对介电常数 r ， 表示为 0 r C C （2） 因此，式（2）可以写成 0 / C A d r （3） 0 称为真空介电常数。它们都是无量纲的正数，反映了电介质材料在静电场中的极化特性。 用于衡量绝缘体储存电能的性能，代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力。 1、 固体介质相对介电常数的测定
工万用电桥 万用电 (a) 6) 图1平行板电容器系统 如图1(a)所示，有一平行电容板，放置于空气中，设其上下电极的面积均为S电极 间的距离为D,测得其电容量为C:如图(b)所示，在电容器两极板间放置一块面积为5 厚度为t的固体电介质，保持两极板间的距离不变，测出有介质时的电容量为C,分析可得 C=C,+C边蜂+C分卷 (4) C,=C华+C边线+C分布 (5) 其中，C。一答，Cs为电介质样品以外的边缘电极间的电容量，C6为测量系统所含有的 分布电容(。=8.8538×102F1m2) EOS EEOS D-11 ￡.EnS C=35651+,(D-) (6) D-1t1 式中，6，为待测介质的相对介电常数，在测量过程中，只要保持电容电极间距离不变，则 在测量C和C的过程中，C和C分均不变，因此由(4)，(5)两式得 C2-G=C事-C0 (7) C串=C2-C+C (8) C,C,由次测量可以获得C,一由式⑥）可解得 C 5-ES-C(D-t) (9) 至此，通过测量和计算，可得固体介质的相对介电常数 2、根据电桥法测量固体介质相对介电常数的方法，将相同固体叠加，观察随着厚度的 变化，介电常数的变化趋势。用频率法测定液体介质相对介电常数 3、实验原理如图2所示，所用仪器有介电常数测试仪，外接液体测试悟，示波器。液 2156
2 / 56 （a） (b) 图 1 平行板电容器系统 如图 1（a）所示，有一平行电容板，放置于空气中，设其上下电极的面积均为 S，电极 间的距离为 D，测得其电容量为 C1；如图（b）所示，在电容器两极板间放置一块面积为 S， 厚度为 t 的固体电介质，保持两极板间的距离不变，测出有介质时的电容量为 C2，分析可得 C C C C 1 0 边缘 分布 （4） C2 C C C 串 边缘 分布 （5） 其中， 0 0 S C D ，C 边缘为电介质样品以外的边缘电极间的电容量，C 分布为测量系统所含有的 分布电容（ 12 2 0 8.8538 10 / F m ） 0 0 0 0 0 r r r r S S D t t S C S S t D t D t t 串 （6） 式中， r 为待测介质的相对介电常数，在测量过程中，只要保持电容电极间距离不变，则 在测量 C1和 C2的过程中，C 边缘和 C 分布均不变，因此由（4），（5）两式得 C C C C 2 1 0 串 （7） C C C C 串 2 1 0 （8） Ｃ１和Ｃ２由两次测量可以获得， 0 0 S C D ，由式（6）可解得 0 r C t S C 串 串（D-t） （9） 至此，通过测量和计算，可得固体介质的相对介电常数。 2、根据电桥法测量固体介质相对介电常数的方法，将相同固体叠加，观察随着厚度的 变化，介电常数的变化趋势。用频率法测定液体介质相对介电常数 3、实验原理如图 2 所示，所用仪器有介电常数测试仪，外接液体测试槽，示波器。液 D 万用电桥 D 万用电桥 t
体测试槽中已装有空气电容器（两个槽中为不同容量的空气电容器）。其原理为：我们知道 RC振荡器频率为 f=2xRc或C=2x府7 （令k=2R1 若电阻R不变，频率f随电容容量C的变化而变化，同样因测量系统有分布电容C, 则C-C+C分布 ”图2液体介质5，测试装置 当介质为空气时，将电容器G接入，设其电容量及相应的振荡频率分别为C及f,则 (10) 当G断开，接入G,设其电容器及振荡频率分别为Cm及f,则 (11) 式(11)减式(10)得到 Ce-Cu=fe fa (12) 当介质为液体时，有 6(Ce-c)-方7 kk (13) 式中，￡，为待测液体相对介电常数，将式(13)除以(12)得 11 (14) fo2 fo 所以只要分别测出空气和液体为介质时的f,f,,即可由式(14)算出8，。 3/56
3 / 56 体测试槽中已装有空气电容器（两个槽中为不同容量的空气电容器）。其原理为：我们知道 RC 振荡器频率为 1 2 f RC ，或 1 2 k C Rf f （令 1 2 k R ）， 若电阻 R 不变，频率 f 随电容容量 C 的变化而变化，同样因测量系统有分布电容 C 分布， 则 C=C0+C 分布 C02 r C01 r C02 C01 图 2 液体介质 r 测试装置 当介质为空气时，将电容器 C1接入，设其电容量及相应的振荡频率分别为 C01及 f01，则 01 01 k C C f 分布 （10） 当 C1断开，接入 C2，设其电容器及振荡频率分别为 C02及 f02，则 02 02 k C C f 分布 （11） 式（11）减式（10）得到 02 01 02 01 k k C C f f （12） 当介质为液体时，有 02 01 2 1 r k k C C f f （13） 式中， r 为待测液体相对介电常数，将式（13）除以（12）得 2 1 02 01 1 1 1 1 r f f f f （14） 所以只要分别测出空气和液体为介质时的 f01，f02，f1，f2即可由式（14）算出 r 。 介电常数 测试仪 示波器
4、自己设计合适的方法，使用频率法测量固体介质的相对介电常数，并与电桥法进行 比较。 【实验仪器】 1.介电常数测量仪 1台（套 子不波器 1台 1个 【实验内容】 1、用电桥法测定固体介质的相对介电常数 (1)接好线路后，测出以空气为介质时平行板电容器的电容量G。 (2)将待测样品完全放入平行板电容器内，测出有介质时平行板电容器的电容量C (3)测出待测样品的厚度太、上表面面积S、平行板电容器的极间距离D(测量要进行 3次，取平均值)，由公式(5)、(6)算出电介质的相对介电常数。 注金裂电容时，尽量不要碰触仪器。防止数据料动数值稳定大的5分后再开始 赛以及个电茶数的计算需进行3次后取绿佳红，以酒除由于及据料动而产 实验号 D t G 介质1 介质2 介质3 致的密尖系同周体介质，测量介质厚度对相对介电常数的关系，画出简单厚度与不电霜 介质名称 单层电容 双层电容 三层电容 3、用频率法测定液体介质的相对介电常数 ①被所示接好线路。分出丙只不同容量的空气电容器接入时所对应的表 (2)将液体介质倒入烧杯中，并浸没电容器，分别测出两只不同容量电容器接入时所 对应的振满频率，B。 (3)用公式(11)计算液体介质的相对介电常数 注意：当电板浸入液体后，要注意保持两极板平行，液体保持平稳。 实验号 液体介质1 液体介质2 4/56
4 / 56 4、自己设计合适的方法，使用频率法测量固体介质的相对介电常数，并与电桥法进行 比较。 【实验仪器】 1. 介电常数测量仪 1 台（套） 2. 示波器 1 台 3. 待测液体介质 4. 烧杯 500CC 5. （交流）万用电桥 6. 螺旋测微仪 1 个 7. 待测固体介质 【实验内容】 1、 用电桥法测定固体介质的相对介电常数 （1）接好线路后，测出以空气为介质时平行板电容器的电容量 C1。 （2）将待测样品完全放入平行板电容器内，测出有介质时平行板电容器的电容量 C2。 （3）测出待测样品的厚度 t、上表面面积 S、平行板电容器的极间距离 D（测量要进行 3 次，取平均值），由公式（5）、（6）算出电介质的相对介电常数。 注意：测量电容时，尽量不要碰触仪器，防止数据抖动；数值稳定大约 5 分钟后再开始 读数。 电容的测量以及介电常数的计算需进行 3 次后取最佳值，以消除由于数据抖动而产 生的误差。 实验号 D t S C0 C1 C2 介质 1 介质 2 介质 3 2、 使用几个相同固体介质，测量介质厚度对相对介电常数的关系，画出简单厚度与介电常 数的函数关系。 介质名称 单层电容 双层电容 三层电容 3、 用频率法测定液体介质的相对介电常数 （1） 按图 2 所示接好线路，分别测出两只不同容量的空气电容器接入时所对应的振荡 频率 f01，f02。 （2） 将液体介质倒入烧杯中，并浸没电容器，分别测出两只不同容量电容器接入时所 对应的振荡频率 f1，f2。 （3） 用公式（11）计算液体介质的相对介电常数。 注意：当电板浸入液体后，要注意保持两极板平行，液体保持平稳。 实验号 f01 f02 f1 f2 液体介质 1 液体介质 2
4、使用频率法测量固体介质的相对介电常数，并与电桥法进行比较 实验号 固体介质1 固体介质2 固体介质3 【数据处理】 1、根据测量数据，计算相对介电常数。对于计算结果的不同，进行分析。 2、画出厚度和电容值的关系曲线。 3、根据读取的频率，计算出两种液体的相对介电常数。 4、利用测量出来的频率，计算出来固体介质的相对介电常数，并与电桥法计算值进行比较。 注意事项： 1、用电桥法测定固体介电常数时测微系统应避免有杂质存在。 2、用电桥法测定固体介电常数时，手要尽量不在样品周围晃动，以免有感应影响测量结果 3、本实验所提供的塑料电容器可用于电容器油和变压器油两种介质的分组实验。 4、每次测完一组液体介电常数时，都要把塑料电容器擦拭干净，以免影响下一组数据测量。 【思考题】 1.在测量固体、液体电介质的相对介电常数过程中，能否移动或接触测量导线？为什么？ 2.厚度均匀，而形状不规则的固体样品，能否用本实验中的电桥法测试其相对介电常数 3.能否用现有的实验仪器测量气体的介电常数？ 实验二电化学基本原理及其相关实验探究 从热秀接居中发生化学化的杯属的腐是 说金属腐蚀是自发的、普遍存在的现象。 产和生适设施的所有领域：因此：由于金属村料的 总值的1.5%42%。美国1998年总的腐蚀损失为2757亿美元，其中直接经济损失为1379 亿美元。 可以料的 造成 但是， 只要采取正 的防护洁其的损失 要的意 能保证国 经济和国防建设各部门的正常生 ,避免金属材料的腐蚀破环引志 的济损失和 材料保护的方法有很多，主要有以下几种： 【预习思考】 改善金属的本质，增强耐蚀性 (1) 弄懂几个概念：相 间电位，金属接触 进行表面处理，与腐蚀介质隔离 料保护 改变腐蚀环境，添加缓蚀剂等 ,电化学保护厂阳极保护 5/56 「外加电流法 (阴极保护 牺牲阳极保护法
5 / 56 4、 使用频率法测量固体介质的相对介电常数，并与电桥法进行比较。 实验号 f01 f02 f1 f2 固体介质 1 固体介质 2 固体介质 3 【数据处理】 1、根据测量数据，计算相对介电常数。对于计算结果的不同，进行分析。 2、画出厚度和电容值的关系曲线。 3、根据读取的频率，计算出两种液体的相对介电常数。 4、利用测量出来的频率，计算出来固体介质的相对介电常数，并与电桥法计算值进行比较。 注意事项： 1、用电桥法测定固体介电常数时测微系统应避免有杂质存在。 2、用电桥法测定固体介电常数时，手要尽量不在样品周围晃动，以免有感应影响测量结果。 3、本实验所提供的塑料电容器可用于电容器油和变压器油两种介质的分组实验。 4、每次测完一组液体介电常数时，都要把塑料电容器擦拭干净，以免影响下一组数据测量。 【思考题】 1. 在测量固体、液体电介质的相对介电常数过程中，能否移动或接触测量导线？为什么？ 2. 厚度均匀，而形状不规则的固体样品，能否用本实验中的电桥法测试其相对介电常数？ 3. 能否用现有的实验仪器测量气体的介电常数？ 实验二 电化学基本原理及其相关实验探究 当金属和周围介质接触时，由于发生化学和电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。 从热力学观点看，除少数贵金属（如 Au、Pt）外，各种金属都有转变成离子的趋势，就是 说金属腐蚀是自发的、普遍存在的现象。 金属材料的腐蚀它几乎存在于工业生产和生活设施的所有领域，因此，由于金属村料的 腐蚀而造成的损失是巨大的。根据发达国家的调查，因腐蚀造成的经济损失约占当年国民生 产总值的 1.5%~4.2%。美国 1998 年总的腐蚀损失为 2757 亿美元，其中直接经济损失为 1379 亿美元。 材料腐蚀会造成巨大的经济损失，但是，只要采取正确的防护措施，其中 1/3 的损失是 可以避免的，因此，对金属村料进行正确的防护——材料保护——在实际生产中具有特别重 要的意义。它能保证国民经济和国防建设各部门的正常生产，避免金属材料的腐蚀破坏引起 突发的恶性事故以及由此造成的巨大经济损失和严重的社会后果。金属材料的保护，不仅能 使某些本来难以实现的工业生产过程变得可能，使经济得到前所未有的大发展，而且可以代 替原来比较落后的生产技术，取得巨大的技术进步。 材料保护的方法有很多，主要有以下几种： 【预习思考】 （1） 弄懂几个概念：相 间电位，金属接触 阳极保护 阴极保护 改善金属的本质，增强耐蚀性 进行表面处理，与腐蚀介质隔离 改变腐蚀环境，添加缓蚀剂等 电化学保护 外加电流法 牺牲阳极保护法 材 料 保 护