实验二十一  介电常数的测定

实验内容

    1．了解电容桥的使用。

2．测定电介质的介电常数。

教学要求

1．学习研究消除平板电介质的边缘效应。

    2．学习应用外推法分析实验数据、得出实验结论。

实验器材

    介电常数三电极系统，QS-18A型万能电桥，游标卡尺，电介质薄板。

   

    电介质是指不导电的绝缘介质。当电介质被放入电场中时，无论其性质如何，都会由于电场的感应而获得一个宏观的电偶极矩，净效应表现为在电介质表面上的不同侧面出现等量的正、负电荷的聚集。这样，感生电荷（束缚状态）就会在电介质内部建立起一个与外加电场方向相反的电场，使电介质内部的合电场较原来的外加电场小。即电介质的放入，使原来空间的电场减弱了。介电常数是用来描述电介质使电场减弱的程度，它等于真空电场强度与加入电介质后其内的合电场强度之比，而且此比值只由电介质本身的性质决定，与所加外电场无关。因此，介电常数是描述电介质性质的重要参量，电介质介电常数的测量对于深入了解某些物质结构的规律，发现物理性能优异的新型电介质材料都具有重要的意义。本实验仅对用电容桥测量固体电介质的介电常数进行初步的学习和讨论。

实验原理

    为了探索电介质对电场的影响，法拉弟于1837年首先研究了电介质对平行板电容器电容的影响。法拉弟通过实验发现：

   （1） 当保持平行板电容器两极板电压不变时，加入电介质后，极板上所带电荷量将增加。

   （2） 当保持平行板电容器极板上所带电荷量不变时，加入电介质后，两极板间电压会减小。

（a）两个电容器极板上加有相同的电压，加有电介质的电容器极板上电荷较多

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介质损耗和介电常数测量实验

介电特性是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中，电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大，而介质损耗尽量小。相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。所以，通过测定介电常数(e)及介质损耗角正切(tgd)，可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据。

一、实验目的

1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系；

2、了解高频Q表的工作原理；

3、掌握室温下用高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。

二、实验原理

按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。

1、介电常数(e)：某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量C_x与同样大小的介质为真空的电容器的电容量C_o之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。

式中：C_x     —电容器两极板充满介质时的电容；

Co     —电容器两极板为真空时的电容；

e      —电容量增加的倍数，即相对介电常数

介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料，e要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求e要大，特别是小型电容器。

在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。

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University of Science and Technology of China

          96 Jinzhai Road, Hefei Anhui 230026,The People’s Republic of China

固体与液体介电常数的测量(以及液体中光速的计算)

一、实验目的:

(1) 运用比较法粗测固体电介质的介电常数;

(2) 运用比较法法测量固体的介电常数;

(3) 谐振法测量固体与液体的介电常数(以及液体的磁导率);

(4) 学习其测量方法及其物理意义，练习示波器的使用，(并由此推算出光在不同液体中的传播速度。)

二、实验原理：

介质材料的介电常数一般采用相对介电常数ε_r来表示，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出ε_r，它们满足如下关系：

式中ε为绝对介电常数，ε₀为真空介电常数，，S为样品的有效面积，d为样品的厚度，C为被测样品的电容量，通常取频率为1 kHz时的电容量C。

比较法：

比较法的电路图如右图图一所示。此时电路引入的参量少，测量精度与标准电容箱的精度密切相关。实际测量时，我们用双踪示波器观察信号变化情况，调节电容箱和电阻箱的输出大小,使两路信号相位相同，并且 ，此时标准电容箱的输出电容值即为待测电容的电容大小。

谐振法：

1、交流谐振电路：

在由电容和电感组成的LC电路中，若给电容器充电，就可在电路中产生简谐形式的自由电振荡。若电路中存在交变信号源，不断地给电路补充能量，使振荡得以持续进行，形成受迫振动，则回路中将出现一种新的现象——交流谐振现象。RL串联谐振电路如下图图二所示

其中电源和电阻两端接双踪示波器。

电阻R、电容C和电感串联电路中的电流与电阻两端的电压是同相位的，但超前于电容C两端的电压 ，落后于电感两端的电压  ，如图三所示。

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偶极距测定数据处理

T=297.05K   P=102.06KPa

1、折光率的测定

数据处理如下

加上x=0.15时候的数据，会使得线性不好，故舍去该组数据；

由数据可知： n1=1.4254

因此：γ=-0.0592/1.4254=-0.04153

2、密度的测定

数据处理如下

因一二组数据出现明显误差，故舍弃了前两组数据做图

由上图可知：ρ₁=0.8758

            β=0.1045/0.8758=0.1193

3、介电常数的测定

环己烷:C_d=（ε_标C^/_空- C^/_标）/（ε_标-1)=（2.015*4.85-7.59）/(2.015-1)=2.17 (pF)

由ε_溶=（C^/_溶- C_d）/ C₀ ，可算出：ε(环己烷)= 2.022388

同理可得ε(0.05)=2.291045      ε(0.10)=2.628253         

ε(0.20)=2.902622      ε(0.30)=3.347015

得下表：

作图如下：

ε₁=2.021

α=4.3539/2.021=2.1543

4、求P₂^∞、R₂^∞   

=3*2.1543*2.015*84.16/[(2.015+2)²*0.8758]+(2.015-1)*(88.11-0.1193*84.16)/[(2.015+2)* 0.8758]

=

R₂^∞ =(n₁²-1)/(n₁²+2) * (Μ₂-βΜ₁)/ρ₁ + 6n₁²Μ₁γ/[(n₁²+2)²*ρ₁]

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华南师范大学实验报告

学生姓名               学  号                             

专    业化学（师范）         年级、班级                                   

课程名称结构化学实验         实验项目  稀溶液法测定偶极矩                          

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纺织检测仪器

外观质量检测仪

用以检测纱条和印染织物的外观质量。外观质量通常指纱条条干、纱疵、印染织物的布面染色牢度等。检验纱条的条干均匀度和纱疵的方法有目光评比法、称重法和仪器法三种。目光评比法只需要简单的摇黑板仪。称重法使用半自动电子支数天平，能快速称出定长绞纱的支数，并打印出平均支数和支数不匀率。仪器法主要使用乌斯特条干均匀度仪。 乌斯特(Uster)条干均匀度仪

用以测定棉条、粗纱和细纱的条干均匀度(图4 )。仪器是根据纱条通过电容极板间时电容量随纱条线密度变化而改变的原理设计的。这种仪器是40年代瑞士乌斯特公司研制成功的,后来逐步发展出各种型号。其中B型适用于棉、毛、人造棉和麻纱等短纤维纱条,C型适用于化学纤维长丝和合成纤维纱条。早期的仪器能自动记录不匀率曲线，并能积分出纱条的平均差系数。70年代问世的仪器，检测效率较高，并能自动校正零点。80年代的仪器能自动调换管纱，自动调节平均值和自动打印出均方差系数或平均差系数。这种仪器还配有波谱仪，可画出纱条不匀波谱图，借以分析纱条不匀性质和不匀产生的原因；棉结、杂质仪可测定一定长度纱条内按规定大小决定的棉、毛纱线的棉结、杂质数。

印染织物染色牢度仪

用以检测印染织物经日晒、摩擦等作用后褪色的程度。大多是模仿印染织物实际使用情况设计的，有日晒牢度仪、皂洗牢度仪、摩擦牢度仪、升华牢度仪等。染色牢度试验方法随仪器种类而不同。

编辑本段织物风格检测仪

检测织物某些物理机械性质来综合评定织物风格的仪器。织物风格广义上指织物在人的触觉和视觉官能上的反应；狭义仅指触觉而言，即通常所称的手感。织物风格也分价值风格和特性风格，价值风格是指服装的美学性和舒适性；特性风格又可分为单因素特性风格(如光滑、丰满、挺括等)和复因素特性风格(如毛型感、丝性感、麻型感等)。织物风格历来都靠手感和目测评定，这种方法现在仍占主要地位。19xx年出现用悬臂梁法测定织物试样的弯曲长度和弯曲刚度，以此来表示织物的手感性质。到50年代，

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实验十二  偶极矩的测定

摘要：本实验利用溶液法，通过测定不同浓度的正丁醇的环己烷溶液在同一条件（20℃、1atm）下的折射率、电容、密度等各种性质计算出分子的偶极矩，并对比实验结果分析了解电介质在外电场中的极化现象。

关键词 ： 极化现象偶极矩 溶液法

前言：分子结构可以被看成是由电子和分子骨架所构成。由于其空间构型不同其正负电荷中心可以重合，也可以不重合，前者称为非极性分子，后者称为极性分子，分子的极性可用偶极矩来表示。

    电介质分子处于电场中，电场会使非极性分子的正负电荷中心发生相对位移而变得不重合，电场也会使极性分子的正负电荷中心间距增大这样会使分子产生附加的偶极矩（诱导偶极矩）。这种现象称为分子的变形极化。可以用平均诱导偶极矩m来表示变形极化的程度。在中等电场下设

　　　　　　　　　　　m = α _DE_内                                (1)

式中E_内为作用于个别分子上的强场。α _D为变形极化率，因为变形极化产生于两种因素：分子中电子相对于核的移动和原子核间的微小移动，所以有

　　　　　　　　　　α _D = α _E +α _A                                (2)

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