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介電常數(shù)測定儀實驗原理
閱讀：2173發(fā)布時間：2022-8-1
介電常數(shù)測定儀實驗原理
按照物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的觀點,，任何物質(zhì)都是由不同的電荷構(gòu)成，而在電介質(zhì)中存在原子,、分子和離子等,。當(dāng)固體電介質(zhì)置于電場中后會顯示出一定的極性，這個過程稱為極化,。對不同的材料,、溫度和頻率，各種極化過程的影響不同,。
1,、介電常數(shù)(e)：某一電介質(zhì)(如硅酸鹽、高分子材料)組成的電容器在一定電壓作用下所得到的電容量Cx與同樣大小的介質(zhì)為真空的電容器的電容量Co之比值,，被稱為該電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù),。
式中：Cx —電容器兩極板充滿介質(zhì)時的電容；
Co —電容器兩極板為真空時的電容,；
e —電容量增加的倍數(shù),，即相對介電常數(shù)
介電常數(shù)的大小表示該介質(zhì)中空間電荷互相作用減弱的程度。作為高頻絕緣材料,，e要小,，特別是用于高壓絕緣時。在制造高電容器時,，則要求e要大,，特別是小型電容器。
在絕緣技術(shù)中,，特別是選擇絕緣材料或介質(zhì)貯能材料時,，都需要考慮電介質(zhì)的介電常數(shù)。此外,，由于介電常數(shù)取決于極化,，而極化又取決于電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動的形式。所以,，通過介電常數(shù)隨電場強(qiáng)度,、頻率和溫度變化規(guī)律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結(jié)構(gòu),。
2．介電損耗(tgd)：指電介質(zhì)材料在外電場作用下發(fā)熱而損耗的那部分能量,。在直流電場作用下，介質(zhì)沒有周期性損耗,，基本上是穩(wěn)態(tài)電流造成的損耗,；在交流電場作用下,，介質(zhì)損耗除了穩(wěn)態(tài)電流損耗外，還有各種交流損耗,。由于電場的頻繁轉(zhuǎn)向，電介質(zhì)中的損耗要比直流電場作用時大許多(有時達(dá)到幾千倍),，因此介質(zhì)損耗通常是指交流損耗,。
在工程中，常將介電損耗用介質(zhì)損耗角正切tgd來表示,。tgd是絕緣體的無效消耗的能量對有效輸入的比例,，它表示材料在一周期內(nèi)熱功率損耗與貯存之比，是衡量材料損耗程度的物理量,。
式中：ω —電源角頻率,；
R —并聯(lián)等效交流電阻；
C —并聯(lián)等效交流電容器
凡是體積電阻率小的,，其介電損耗就大,。介質(zhì)損耗對于用在高壓裝置、高頻設(shè)備,，特別是用在高壓,、高頻等地方的材料和器件具有特別重要的意義，介質(zhì)損耗過大,，不僅降低整機(jī)的性能,，甚至?xí)斐山^緣材料的熱擊穿。
3,、Q值：tgd的倒數(shù)稱為品質(zhì)因素,，或稱Q值。Q值大,，介電損失小,，說明品質(zhì)好。所以在選用電介質(zhì)前,，必須首先測定它們的e和tgd,。而這兩者的測定是分不開的。
通常測量材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的方法有二種：交流電橋法和Q表測量法,，其中Q表測量法在測量時由于操作與計算比較簡便而廣泛采用,。本實驗主要采用的是Q表測量法。
4,、陶瓷介質(zhì)損耗角正切及介電常數(shù)測試儀：它由穩(wěn)壓電源,、高頻信號發(fā)生器、定位電壓表CBl,、Q值電壓表CB2,、寬頻低阻分壓器以及標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電容器等組成(圖2),。工作原理如下：高頻信導(dǎo)發(fā)生器的輸出信號，通過低阻抗耦合線圈將信號饋送至寬頻低阻抗分壓器,。輸出信號幅度的調(diào)節(jié)是通過控制振蕩器的簾柵極電壓來實現(xiàn),。當(dāng)調(diào)節(jié)定位電壓表CBl指在定位線上時，Ri兩端得到約l0mV的電壓(Vi),。當(dāng)Vi調(diào)節(jié)在一定數(shù)值(10mV)后,，可以使測量Vc的電壓表CB2直接以Q值刻度，即可直接的讀出Q值,，而不必計算,。另外，電路中采用寬頻低阻分壓器的原因是：如果直接測量Vi必須增加大量電子組件才能測量出高頻低電壓信號,，成本較高,。若使用寬頻低阻分壓器后則可用普通電壓表達(dá)到同樣的目的。
圖1 Q表測量電路圖
經(jīng)推導(dǎo)(1) 介電常數(shù)：
(1)
式中：C1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電容量,；
C2—樣品測試的電容量,；
d—試樣的厚度(cm)；
Φ—試樣的直徑(cm),；
(2) 介質(zhì)損耗角正切：
(2)
式中：Q1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的Q值,；
Q2—樣品測試的Q值；
(3) Q值：
(3)
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