介質(zhì)損耗和介電常數(shù)測量實驗

介電特性是電介質(zhì)材料極其重要的性質(zhì)。在實際應(yīng)用中,，電介質(zhì)材料的介電系數(shù)和介質(zhì)損耗是非常重要的參數(shù),。例如,，制造電容器的材料要求介電系數(shù)盡量大，而介質(zhì)損耗盡量小,。相反地,，制造儀表絕緣器件的材料則要求介電系數(shù)和介質(zhì)損耗都盡量小,。而在某些特殊情況下,，則要求材料的介質(zhì)損耗較大。所以,，通過測定介電常數(shù)(e)及介質(zhì)損耗角正切(tgd),，可進(jìn)一步了解影響介質(zhì)損耗和介電常數(shù)的各種因素，為提高材料的性能提供依據(jù),。

一,、實驗?zāi)康?/span>

1、探討介質(zhì)極化與介電常數(shù),、介質(zhì)損耗的關(guān)系,；

2,、了解高頻Q表的工作原理,；

3、掌握室溫下用高頻Q表測定材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值,。

二,、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C_x與同樣大小的介質(zhì)為真空的電容器的電容量C_o之比值,，被稱為該電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)。

式中：C_x —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,。

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)

三,、實驗儀器及設(shè)備

1、儀器設(shè)備：

(1) Q表測試儀,、電感箱,、樣品夾具等；

(2) 千分游標(biāo)卡尺；

2,、樣品要求：圓形片：厚度2±0.5mm,，直徑為Φ38±1mm。

四,、實驗步驟

1,、本儀器適用于110V/220V，50Hz交流電,，使用前要檢查電壓情況,，以保證測試條件的穩(wěn)定。

2,、開機(jī)預(yù)熱15分鐘,，使儀器恢復(fù)正常狀態(tài)后才能開始測試。

3,、按部件標(biāo)準(zhǔn)制備好的測試樣品,，兩面用特種鉛筆或?qū)щ娿y漿涂覆，使樣品兩面都各自導(dǎo)電,，但南面之間不能導(dǎo)通,，備用。

4,、選擇適當(dāng)?shù)妮o助線圈插入電感接線柱,。根據(jù)需要選擇振蕩器頻率，調(diào)節(jié)測試電路電容器使電路諧振,。假定諧振時電容為C1,，品質(zhì)因素為Q1。

5,、將被測樣品接在Cx接線柱上,。

6、再調(diào)節(jié)測試電路電容器使電路諧振,，這時電容為C2,，可以直接讀出Q2。

7,、用游標(biāo)卡尺量出試樣的直徑Φ和厚度d(分別在不同位置測得兩個數(shù)據(jù),，再取其平均值)。