介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀—介電常數(shù)與耗散因數(shù)間的關(guān)系
       介電常數(shù)又稱(chēng)電容率或相對(duì)電容率， 是表征電介質(zhì)或絕緣材料電 性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，常用 ε 表示。  介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng) 電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)(真空中)與最終介質(zhì)中電場(chǎng)比值即為介 電常數(shù)。其表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對(duì)能力， 例如一個(gè)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(chǎng)中， 場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在 電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)還用來(lái)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(duì)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(chēng)為耗散因數(shù)。
      通常將耗散因數(shù)與介電常數(shù)之比稱(chēng)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(guò)電解質(zhì)時(shí)，波的速度被減小，波長(zhǎng)也變短了。
      介質(zhì)損耗是指置于交流電場(chǎng)中的介質(zhì)， 以?xún)?nèi)部發(fā)熱的形式表現(xiàn)出 來(lái)的能量損耗。介質(zhì)損耗角是指對(duì)介質(zhì)施加交流電壓時(shí)， 介質(zhì)內(nèi)部流 過(guò)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(duì)電 介質(zhì)施加正弦波電壓時(shí)， 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(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量//每個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)存儲(chǔ)的能量。

       介電損耗角正切常用來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)程引起的損耗。用 tg δ作為綜合反應(yīng)介質(zhì)損耗特性?xún)?yōu)劣的指標(biāo)， 其是一個(gè)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(guò)測(cè)量 tgδ來(lái)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(chǎng)作用下將長(zhǎng)生熱量， 這些 熱會(huì)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(chǎng)強(qiáng)度或高頻的場(chǎng)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(chǎng)（一般為0.3--300兆赫茲）對(duì)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(shí)，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(jì)時(shí)， 必須注意材料的 tgδ值。若 tgδ過(guò)大則會(huì)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(chǎng)合時(shí)對(duì)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(shí) ε 大、 tg δ小；對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)還應(yīng)當(dāng)注意外界因素對(duì)介 電常數(shù)與耗散因數(shù)的影響。

介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀

1、電介質(zhì)材料簡(jiǎn)介

電介質(zhì)材料的體積儲(chǔ)能密度萬(wàn)的表達(dá)式為：

圖1

上式中，ε為電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)?ε₀為真空介電常數(shù)?為電介質(zhì)材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。從表達(dá)式來(lái)看?提高電介質(zhì)材料儲(chǔ)能密度的途徑有兩種?一方面提高電介質(zhì)材料的介電常數(shù)?另一方面提高電介質(zhì)材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)?而擊穿場(chǎng)強(qiáng)的提高將顯著影響儲(chǔ)能密度的提高。

2、介電常數(shù)

介電常數(shù)用來(lái)表征電介質(zhì)材料貯存電荷能力的大小，?它定義為介質(zhì)電容器的電容C_x比真空電容器的電容C₀增加的倍數(shù)。介電常數(shù)的表達(dá)式為：

圖2

上式中，ε為樣品的介電常數(shù)?。ε₀為真空介電常數(shù)?C為試樣的電容值?S為電極面積?d為試樣的厚度。

介電常數(shù)實(shí)質(zhì)上是電介質(zhì)材料極化程度的宏觀物理量?隨著測(cè)試頻率和溫度的變化而變化?由電介質(zhì)材料自身的物化結(jié)構(gòu)決定。在電場(chǎng)作用下?如果電介質(zhì)自身的極化程度很高?極板上就會(huì)產(chǎn)生大量的感應(yīng)電荷?那么材料表現(xiàn)出的介電常數(shù)就越大?鑒于此?對(duì)介電常數(shù)的考察研究?就要從電介質(zhì)材料本身在電場(chǎng)中的極化機(jī)制入手?從材料本身作為研究切入點(diǎn)?提高其介電常數(shù)?電介質(zhì)材料處于外加電場(chǎng)中時(shí)?主要有電子極化?原子極化?取向極化和空間電荷極化四種機(jī)制?弄清這四種極化機(jī)理?對(duì)提高介電常數(shù)的研究具有很好的指導(dǎo)意義?極化類(lèi)型與頻率的關(guān)系。

1）電子極化

電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下?原子中帶負(fù)電荷的電子云相對(duì)帶正電荷的原子核會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)?結(jié)果是原子核不再位于電子軌道的中心?這種情況稱(chēng)為電子極化。電子極化發(fā)生在所有的材料中?所需的時(shí)間大約為10^-15S?發(fā)生的頻率范圍為10¹⁴-10¹⁶Hz。

2）原子極化

電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下?其分子中原子核的排列也會(huì)發(fā)生畸變?該過(guò)程被稱(chēng)為原子極化。重的核運(yùn)動(dòng)要比電子運(yùn)動(dòng)遲鈍?因此原子極化不可能像電子極化一樣在很高頻下發(fā)生?原子極化所需的時(shí)間約為10^-13S?發(fā)生的頻率范圍是10¹⁹-10¹³Hz。

電子極化和原子極化兩者都是在分子內(nèi)的正負(fù)電荷中心發(fā)生位移?或者可稱(chēng)為分子形變和分子畸變?因此這些過(guò)程也可稱(chēng)為位移的形變或者畸變?而所產(chǎn)生的偶極距被稱(chēng)為誘導(dǎo)偶極距。

3）取向極化

電場(chǎng)作用下?電介質(zhì)分子中具有的yong久偶極距會(huì)由原來(lái)的雜亂無(wú)章變成排列有序的狀態(tài)?由此產(chǎn)生取向極化。這種極化一般需要一、?發(fā)生的頻率范圍是護(hù)。在不加外電場(chǎng)時(shí)?分子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使偶極距雜亂無(wú)章?指向各個(gè)方向的機(jī)會(huì)均等?總的均偶極距仍然等于零?加上外電場(chǎng)?yong久偶極距會(huì)發(fā)生移動(dòng)?沿著電場(chǎng)方向規(guī)則排列起來(lái)?從而發(fā)生取向極化。

4)界面極化

前面的三種極化是在均勻介質(zhì)中發(fā)生的，在非均相介質(zhì)中還存在界面極化，它是指非均勻介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下電子或者離子堆積在非均相的交界處所表現(xiàn)的極化現(xiàn)象。界面極化可以看成是由缺陷偶極距形成的，缺陷偶極距就是在結(jié)構(gòu)缺陷處形成的偶極子，在非均相介質(zhì)中兩種物質(zhì)的交界面結(jié)構(gòu)是不均勻的，也認(rèn)為是一種缺陷，在電場(chǎng)的作用下形成很大的偶極距，因?yàn)檫@種極化牽涉到很大的極化質(zhì)點(diǎn)，所以松弛時(shí)間較長(zhǎng)，一般為10^-4-10⁴秒，發(fā)生的頻率范圍是10^-5-10²Hz。

各種極化機(jī)制的頻率范圍