高壓自動介電常數(shù)介質(zhì)損耗測定儀
介電常數(shù)和介電損耗正切的測定
1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
①了解測定高分子材料介電常數(shù)和介電損耗角正切測定的基本原理
②掌握高分子材料材料介電常數(shù)和介電損耗角正切測定的測定方法
2.實(shí)驗(yàn)原理
介電常數(shù)是表征絕緣材料在交流電場下，介質(zhì)極化程度的一個參數(shù)，它是充滿此絕緣材料的電容器的電容量與以真空為電介質(zhì)時同樣電極尺寸的電容器的電容量的比值。介質(zhì)損耗角正切是表征該絕緣材料在交流電場下能量損耗的一個參數(shù)，是外施正弦電壓與通過試樣的電流之間的相對的余角正切。測定高分子材料介電常數(shù)和介電損耗角正切實(shí)驗(yàn)方法有：工頻高壓電橋法和變電納法。
本實(shí)驗(yàn)采用工頻高壓電橋法。其工作原理為：被測試樣與無損耗標(biāo)準(zhǔn)電容Co是電橋的兩相鄰橋臂，橋臂R3是無感電阻，與它相鄰的臂由電容C4和恒定電阻R4并聯(lián)構(gòu)成。在電阻R4的中點(diǎn)和屏蔽間接有一可調(diào)電容Ca來完成線路的對稱操作。線路的對稱在這里理解為使“臂R3對屏蔽”及“臂R4對屏蔽”的寄生電容固定且相等。由于電阻線圈R3中的金屬線比電阻R4長得多，臂R3的寄生電容也將大于臂R4的寄生電容。附加電容Ca可以增大臂R4的電容泄漏，使其數(shù)值與臂R3的泄漏相等。臂Ca和Co的寄生電容不大，因此不用對他們加以平衡。
保護(hù)電壓e的作用是消除放大器P處頂點(diǎn)可能存在的泄漏電流，為此e是一個將橋P處頂點(diǎn)的電位引向地電位的裝置。
這主類電橋平衡后必然有：Zx·Z4＝Zs·Z3 ……（3-45）
其中 Zx＝j / (ωCx)
Zs＝j / (ωCs)
Z3=R3
Z4=[（1 / R4）+ jωC4]-1
由平衡條件及tgδ定義可計算出：tgδ=2πf C4·R4·10-12
當(dāng)f＝50Hz，R4＝10000/πΩ時，有tgδ= C4·10-6，即可用C4直接表示tgδ值。根據(jù)式（3-45）計算可得到：
C4=C3·(R4 / R3)·[1+(1/ tg2δ)]
ε＝Cs / Co
本方法適用于測試固體電工絕緣材料如絕緣漆、樹脂和膠、浸漬纖維制品、層壓制品、云母及其制品、塑料、薄膜復(fù)合制品、陶瓷和玻璃等的相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切以及由它們計算出來的相關(guān)參數(shù)，例如損耗因素。
對有些絕緣材料如橡膠以及橡膠制品，薄膜等的上述性能實(shí)驗(yàn)，可按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或者參考本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
3.實(shí)驗(yàn)試樣
本次實(shí)驗(yàn)采用多型腔圓片模具注塑成型的高密度聚乙烯圓片試樣.直徑120mm厚度3mm(由材料形狀,電極選二電極,板狀電極)
4.實(shí)驗(yàn)設(shè)備
ZJD-C高低頻介電常數(shù)測試儀 北京智德創(chuàng)新儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)
電極 采用板狀圓形電極
5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
序號 | Ca0 | ξ | |
1 | 52.35 | 2.20 | |
2 | 52.67 | 1.90 | |
3 | 52.67 | 1.64 | |
序號 | R3(Ω) | tgδ | t |
1 | 1385 | 45.4 | 3.32 |
2 | 1587 | 45.3 | 3.30 |
3 | 1838 | 40.5 | 3.30 |
6.思考題
1.實(shí)驗(yàn)要求試樣厚度不大于3mm的原因?答：試樣的厚度如果大于3mm，為了測得他的介電常數(shù)，需要一個很高的電壓，這樣使得設(shè)備條件更加苛刻，實(shí)驗(yàn)環(huán)境也不安全。
3.試樣中含有雜質(zhì)的測試結(jié)果?答：介電系數(shù)增大，導(dǎo)電介質(zhì)或極性雜質(zhì)的存在，會增加高聚物的導(dǎo)電電流和極化率，因而使介電損耗增大，特別是對于非極性高聚物來說，雜質(zhì)成了引起介電損耗的主要原因。
3.實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件如溫度、濕度對測定結(jié)果的影響。
溫度：溫度變化會引起高聚物的粘度變化，因而極化建立過程所需要的時間也起變化。溫度對取向極化（介電常數(shù)）有兩種相反的作用，一方面溫度升高，分子間相互作用減弱，粘度下降，使偶極轉(zhuǎn)動取向容易進(jìn)行，介電常數(shù)增加；另一方面，溫度升高，分子熱運(yùn)動加劇，對偶極轉(zhuǎn)動干擾增加，使極化減弱，介電系數(shù)下降。對于一般的高聚物來說，在溫度不太高時，前者占主導(dǎo)地位，因而溫度升高，介電常數(shù)增大，到一定范圍，后者超過前者，介電常數(shù)即開始隨溫度升高而減小。
濕度：濕度越大，水分越多，能明顯增加高聚物介電損耗的極性雜質(zhì)。在低頻下，它主要以離子電導(dǎo)形式增加電導(dǎo)電流，引起介電損耗；在微波頻率范圍，水分子本身發(fā)生偶極松弛，出現(xiàn)損耗峰。對于極性高聚物，水有不同程度的增塑作用，尤其是聚酰胺類和聚丙烯酸酯類等，結(jié)果將使高聚物的介電損耗峰向較低溫度移動。水對熱固性塑料也有影響
高壓自動介電常數(shù)介質(zhì)損耗測定儀
介電常數(shù)與耗散因數(shù)間的關(guān)系
介電常數(shù)又稱電容率或相對電容率， 是表征電介質(zhì)或絕緣材料電 性能的一個重要數(shù)據(jù)，常用 ε 表示。 介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng) 電荷而削弱電場，原外加電場(真空中)與最終介質(zhì)中電場比值即為介 電常數(shù)。其表示電介質(zhì)在電場中貯存靜電能的相對能力， 例如一個電 容板中充入介電常數(shù)為 ε 的物質(zhì)后可使其電容變大 ε 倍。介電常數(shù)愈 小絕緣性愈好。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中， 場的強(qiáng)度會在 電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)還用來表示介質(zhì)的極化程度， 宏觀 的介電常數(shù)的大小， 反應(yīng)了微觀的極化現(xiàn)象的強(qiáng)弱。氣體電介質(zhì)的極 化現(xiàn)象比較弱，各種氣體的相對介電常數(shù)都接近1 ，液體、固體的介 電常數(shù)則各不相同，而且介電常數(shù)還與溫度、電源頻率有關(guān)
有些物質(zhì)介電常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式， 其實(shí)部即為介電常數(shù)， 虛數(shù)部 分常稱為耗散因數(shù)。
通常將耗散因數(shù)與介電常數(shù)之比稱作耗散角正切， 其可表示材料 與微波的耦合能力， 耗散角正切值越大， 材料與微波的耦合能力就越 強(qiáng)。例如當(dāng)電磁波穿過電解質(zhì)時，波的速度被減小，波長也變短了。
介質(zhì)損耗是指置于交流電場中的介質(zhì)， 以內(nèi)部發(fā)熱的形式表現(xiàn)出 來的能量損耗。介質(zhì)損耗角是指對介質(zhì)施加交流電壓時， 介質(zhì)內(nèi)部流 過的電流相量與電壓向量之間的夾角的余角。介質(zhì)損耗角正切是對電 介質(zhì)施加正弦波電壓時， 外施電壓與相同頻率的電流之間相角的余角 δ 的正切值--tg δ. 其物理意義是：每個周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量//每個周期內(nèi)介質(zhì)存儲的能量。
介電損耗角正切常用來表征介質(zhì)的介電損耗。介電損耗是指電 介質(zhì)在交變電場中, 由于消耗部分電能而使電介質(zhì)本身發(fā)熱的現(xiàn)象。 原因是電介質(zhì)中含有能導(dǎo)電的載流子,在外加電場作用下,產(chǎn)生導(dǎo)電電 流,消耗掉一部分電能,轉(zhuǎn)為熱能。任何電介質(zhì)在電場作用下都有能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和由某些極化過程引起的損耗。用 tg δ作為綜合反應(yīng)介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)， 其是一個僅僅取 決于材料本身的損耗特征而與其他因素?zé)o關(guān)的物理量， tgδ的增大意 味著介質(zhì)絕緣性能變差， 實(shí)踐中通常通過測量 tgδ來判斷設(shè)備絕緣性 能的好壞。
由于介電損耗的作用電解質(zhì)在交變電場作用下將長生熱量， 這些 熱會使電介質(zhì)升溫并可能引起熱擊穿， 因此， 在絕緣技術(shù)中， 特別是 當(dāng)絕緣材料用于高電場強(qiáng)度或高頻的場合，應(yīng)盡量采用介質(zhì)損耗因 數(shù)， 即電介質(zhì)損耗角正切 tgδ較低的材料。但是， 電介質(zhì)損耗也可用 作一種電加熱手段，即利用高頻電場（一般為0.3--300兆赫茲）對介 電常數(shù)大的材料（如木材、紙張、陶瓷等） 進(jìn)行加熱。這種加熱由于 熱量產(chǎn)生在介質(zhì)內(nèi)部， 比外部加熱速度更快、熱效率更高， 而且熱均 勻。頻率高于300兆赫時，達(dá)到微波波段，即為微波加熱（家用微波 爐即據(jù)此原理）。
在絕緣設(shè)計時， 必須注意材料的 tgδ值。若 tgδ過大則會引起嚴(yán) 重發(fā)熱，使絕緣材料加速老化，甚至導(dǎo)致熱擊穿。
一下例舉一些材料的 ε 值：
石英-----3.8
絕緣陶瓷-----6.0
紙------70
有機(jī)玻璃------2.63
PE-------2.3
PVC--------3.8
高分子材料的 ε 由主鏈中的鍵的性能和排列決定
分子結(jié)構(gòu)極性越強(qiáng)， ε 和 tg δ越大。
非極性材料的極化程度較小， ε 和 tg δ都較小。
當(dāng)電介質(zhì)用在不同場合時對介電常數(shù)與耗散因素的大小有不同 的要求。做電容介質(zhì)時 ε 大、 tg δ??；對航空航天材料而言， ε 要小 tg δ要大。
另外要注意材料的極性越強(qiáng)受濕度的影響越明顯。主要原因是高 濕的作用使水分子擴(kuò)散到高分子的分子之間， 使其極性增強(qiáng)； 同時潮 濕的空氣作用于塑料表面， 幾乎在幾分鐘內(nèi)就使介質(zhì)的表面形成一層 水膜， 它具有離子性質(zhì)， 能增加表面電導(dǎo)， 因此使材料的介電常數(shù)和 介質(zhì)損耗角正切 tgδ都隨之增大。故在具體應(yīng)用時應(yīng)注意電介質(zhì)的周 圍環(huán)境。
電介質(zhì)在現(xiàn)代生活中經(jīng)常被用到， 而介電常數(shù)與耗散因素是電介 質(zhì)的兩個重要參數(shù)， 根據(jù)不同的要求， 應(yīng)當(dāng)選用具有不用介電常數(shù)與 耗散因數(shù)的材料， 以達(dá)到最佳的效果。同時還應(yīng)當(dāng)注意外界因素對介 電常數(shù)與耗散因數(shù)的影響
