Sei tecniche per misurare le proprietà dielettriche

Se pensi alle proprietà dielettriche, probabilmente è nel contesto degli esperimenti di fisica scolastica sull'accumulo di carica, o forse nel modo in cui la scelta dei materiali dielettrici influenza le caratteristiche di un condensatore con cui stai lavorando. Si scopre, tuttavia, che le proprietà dielettriche dei materiali sono importanti per tutti i tipi di industrie per ragioni diverse. Misurare accuratamente tali proprietà, quindi, è importante in molti contesti. Questo articolo esamina alcune tecniche chiave per misurare le proprietà dielettriche e alcune aree di applicazione per ciascuna di esse.

Tecniche di misurazioneEsistono diverse tecniche per misurare le proprietà dielettriche, utilizzando una combinazione di strumenti precisi, dispositivi di prova per trattenere il materiale sotto test (MUT) e software che semplifica la misurazione di fattori complessi di permettività e permeabilità e la visualizzazione dei risultati.

Keysight Technologies, ad esempio, dispone di strumenti come analizzatori di rete, analizzatori di impedenza e misuratori LCR che possono fornire risultati accurati a frequenze applicate fino a 1,5 THz. Offre inoltre dispositivi che applicano la sonda coassiale, la piastra parallela, le linee di trasmissione coassiali/guida d'onda, le tecniche di misurazione dello spazio libero e della cavità risonante mostrate nella Figura 1.

Come funzionano ciascuno di questi e quali sono i loro vantaggi e limiti?

Metodo della sonda coassiale Il metodo della sonda coassiale è il migliore per liquidi e materiali semisolidi (in polvere). È semplice, conveniente, non distruttivo e prevede l'effettuazione di una sola misurazione. Un tipico sistema di misurazione è costituito da un analizzatore di rete o un analizzatore di impedenza, una sonda coassiale e un software.

La scelta della sonda e dell'analizzatore dipende dalla frequenza di misurazione, ma la gamma complessiva va da 10 MHz a 50 GHz. Esistono sonde per alte temperature che resistono a temperature comprese tra –40 e 200° C e possono essere realizzate con una flangia di grandi dimensioni in modo da poter misurare materiali solidi a superficie piana, nonché liquidi e semisolidi. Le sonde sottili sono utili per effettuare misurazioni in serbatoi di fermentazione, camere di reazione chimica e altre apparecchiature con piccole aperture, mentre le sonde ad alte prestazioni combinano molte di queste caratteristiche in un dispositivo che può essere sterilizzato in autoclave, utile per i settori alimentare, medico e chimico. industrie.

Metodo della linea di trasmissione Il metodo della linea di trasmissione è una tecnica a banda larga per i solidi lavorabili, che colloca il MUT all'interno di una linea di trasmissione chiusa. La copertura della frequenza è limitata principalmente dalla dimensione del portacampione.

Metodo dello spazio libero Gli approcci dello spazio libero utilizzano antenne per focalizzare l'energia delle microonde su o attraverso una lastra di materiale. Questo metodo senza contatto può essere applicato a materiali ad alte temperature ed è particolarmente utile alle frequenze delle onde millimetriche.

Metodo della cavità risonante Le cavità risonanti sono strutture ad alto Q che risuonano a determinate frequenze. Un campione del materiale influenza la frequenza centrale e il fattore Q della cavità, che a sua volta consente di calcolarne la permettività. Ad esempio, Keysight offre a questo scopo il risonatore a cilindro diviso 85072A da 10 GHz, nonché risonatori dielettrici a post diviso.

Metodo del condensatore a piastre parallele Il metodo del condensatore a piastre parallele prevede l'inserimento di un sottile foglio di materiale tra due elettrodi per formare un condensatore. Il metodo funziona meglio per misurazioni accurate e a bassa frequenza di fogli sottili o liquidi.

Un tipico sistema di misurazione che utilizza il metodo a piastre parallele è costituito da un misuratore LCR o da un analizzatore di impedenza.

Metodo di misurazione dell'induttanza Questo approccio ricava la permeabilità di un materiale misurandone l'induttanza come se fosse un nucleo toroidale. Il filo è avvolto attorno al MUT e la sua induttanza viene valutata rispetto alle estremità del filo. Keysight offre il dispositivo di test per materiali magnetici 16454A, che costituisce una struttura ideale per induttori a giro singolo, poiché non perde flusso quando viene inserito un nucleo toroidale.