高壓自動介電常數介質損耗測定儀
介電常數和介電損耗正切的測定
1.實驗目的
①了解測定高分子材料介電常數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和介電損耗角正切測定的測定方法
2.實驗原理
介電常數是表征絕緣材料在交流電場下，介質極化程度的一個參數，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時同樣電極尺寸的電容器的電容量的比值。介質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，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和介電損耗角正切實驗方法有：工頻高壓電橋法和變電納法。
本實驗采用工頻高壓電橋法。其工作原理為：被測試樣與無損耗標準電容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并聯構成。在電阻R4的中點和屏蔽間接有一可調電容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。
保護電壓e的作用是消除放大器P處頂點可能存在的泄漏電流，為此e是一個將橋P處頂點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f＝50Hz，R4＝10000/πΩ時，有tgδ= C4·10-6，即可用C4直接表示tgδ值。根據式（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、薄膜復合制品、陶瓷和玻璃等的相對介電常數與介質損耗角正切以及由它們計算出來的相關參數，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驗，可按照有關標準或者參考本標準進行。
3.實驗試樣
本次實驗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.實驗設備
ZJD-C高低頻介電常數測試儀 北京智德創新儀器設備有限公司生產
電極 采用板狀圓形電極
5.實驗數據
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.實驗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，需要一個很高的電壓，這樣使得設備條件更加苛刻，實驗環境也不安全。
3.試樣中含有雜質的測試結果?答：介電系數增大，導電介質或極性雜質的存在，會增加高聚物的導電電流和極化率，因而使介電損耗增大，特別是對于非極性高聚物來說，雜質成了引起介電損耗的主要原因。
3.實驗環境條件如溫度、濕度對測定結果的影響。
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）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，使偶極轉動取向容易進行，介電常數增加；另一方面，溫度升高，分子熱運動加劇，對偶極轉動干擾增加，使極化減弱，介電系數下降。對于一般的高聚物來說，在溫度不太高時，前者占主導地位，因而溫度升高，介電常數增大，到一定范圍，后者超過前者，介電常數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。在低頻下，它主要以離子電導形式增加電導電流，引起介電損耗；在微波頻率范圍，水分子本身發生偶極松弛，出現損耗峰。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
高壓自動介電常數介質損耗測定儀
介電常數與耗散因數間的關系
介電常數又稱電容率或相對電容率， 是表征電介質或絕緣材料電 性能的一個重要數據，常用 ε 表示。 介質在外加電場時會產生感應 電荷而削弱電場，原外加電場(真空中)與最終介質中電場比值即為介 電常數。其表示電介質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為 ε 的物質后可使其電容變大 ε 倍。介電常數愈 小絕緣性愈好。如果有高介電常數的材料放在電場中， 場的強度會在 電介質內有可觀的下降。介電常數還用來表示介質的極化程度， 宏觀 的介電常數的大小， 反應了微觀的極化現象的強弱。氣體電介質的極 化現象比較弱，各種氣體的相對介電常數都接近1 ，液體、固體的介 電常數則各不相同，而且介電常數還與溫度、電源頻率有關
有些物質介電常數具有復數形式， 其實部即為介電常數， 虛數部 分常稱為耗散因數。
通常將耗散因數與介電常數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。例如當電磁波穿過電解質時，波的速度被減小，波長也變短了。
介質損耗是指置于交流電場中的介質， 以內部發熱的形式表現出 來的能量損耗。介質損耗角是指對介質施加交流電壓時， 介質內部流 過的電流相量與電壓向量之間的夾角的余角。介質損耗角正切是對電 介質施加正弦波電壓時， 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：每個周期內介質損耗的能量//每個周期內介質存儲的能量。
介電損耗角正切常用來表征介質的介電損耗。介電損耗是指電 介質在交變電場中, 由于消耗部分電能而使電介質本身發熱的現象。 原因是電介質中含有能導電的載流子,在外加電場作用下,產生導電電 流,消耗掉一部分電能,轉為熱能。任何電介質在電場作用下都有能量損耗，包括由電導引起的損耗和由某些極化過程引起的損耗。用 tg δ作為綜合反應介質損耗特性優劣的指標， 其是一個僅僅取 決于材料本身的損耗特征而與其他因素無關的物理量， tgδ的增大意 味著介質絕緣性能變差， 實踐中通常通過測量 tgδ來判斷設備絕緣性 能的好壞。
由于介電損耗的作用電解質在交變電場作用下將長生熱量， 這些 熱會使電介質升溫并可能引起熱擊穿， 因此， 在絕緣技術中， 特別是 當絕緣材料用于高電場強度或高頻的場合，應盡量采用介質損耗因 數， 即電介質損耗角正切 tgδ較低的材料。但是， 電介質損耗也可用 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 電常數大的材料（如木材、紙張、陶瓷等） 進行加熱。這種加熱由于 熱量產生在介質內部， 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，達到微波波段，即為微波加熱（家用微波 爐即據此原理）。
在絕緣設計時， 必須注意材料的 tgδ值。若 tgδ過大則會引起嚴 重發熱，使絕緣材料加速老化，甚至導致熱擊穿。
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
分子結構極性越強， 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。
當電介質用在不同場合時對介電常數與耗散因素的大小有不同 的要求。做電容介質時 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受濕度的影響越明顯。主要原因是高 濕的作用使水分子擴散到高分子的分子之間， 使其極性增強； 同時潮 濕的空氣作用于塑料表面， 幾乎在幾分鐘內就使介質的表面形成一層 水膜， 它具有離子性質， 能增加表面電導， 因此使材料的介電常數和 介質損耗角正切 tgδ都隨之增大。故在具體應用時應注意電介質的周 圍環境。
電介質在現代生活中經常被用到， 而介電常數與耗散因素是電介 質的兩個重要參數， 根據不同的要求， 應當選用具有不用介電常數與 耗散因數的材料， 以達到最佳的效果。同時還應當注意外界因素對介 電常數與耗散因數的影響
