介質(zhì)損耗試驗儀和介電常數(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)(ε)及介質(zhì)損耗角正切(tgδ)，可進一步了解影響介質(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、實驗目的

1、探討介質(zhì)極化與介電常數(shù)、介質(zhì)損耗的關系；

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)電結構的觀點，任何物質(zhì)都是由不同的電荷構成，而在電介質(zhì)中存在原子、分子和離子等。當固體電介質(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)(ε)：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；

Cο    —電容器兩極板為真空時的電容；

ε    —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，ε要小，特別是用于高壓絕緣時。在制造高電容器時，則要求ε要大，特別是小型電容器。

在絕緣技術中，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)的分子結構和分子運動的形式。所以，通過介電常數(shù)隨電場強度、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構。

2．介電損耗(tgδ)：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。由于電場的頻繁轉向，電介質(zhì)中的損耗要比直流電場作用時大許多(有時達到幾千倍)，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tgδ來表示。tgδ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。

tg

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，不僅降低整機的性能，甚至會造成絕緣材料的熱擊穿。

3、Q值：tgδ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ε和tgδ。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準可調(diào)電容器等組成(圖2)。工作原理如下：高頻信導發(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到同樣的目的。

圖1 Q表測量電路圖

經(jīng)推導(1) 介電常數(shù)：

(1)

式中：C1—標準狀態(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—標準狀態(tài)下的Q值；

Q2—樣品測試的Q值；

(3) Q值：

    (3)

三、實驗儀器及設備

1、儀器設備：

(1) Q表測試儀、電感箱、樣品夾具等；

(2) 千分游標卡尺；

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、開機預熱15分鐘，使儀器恢復正常狀態(tài)后才能開始測試。

3、按部件標準制備好的測試樣品，兩面用特種鉛筆或導電銀漿涂覆，使樣品兩面都各自導電，但南面之間不能導通，備用。

4、選擇適當?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)。

五、結果處理

1、ε和tgδ測定記錄：

實驗數(shù)據(jù)按表要求填寫。

2、計算：

根據(jù)表格中測得的數(shù)據(jù)，按公式(1)、(2)分別計算各個數(shù)值。

六、注意事項

(1) 電壓或頻率的劇烈波動常使電橋不能達到良好的平衡，所以測定時，電壓和頻率要求穩(wěn)定，電壓變動不得大于1%，頻率變動不得大于0.5%。

(2) 電極與試樣的接觸情況，對tgδ的測試結果有很大影響，因此涂銀導電層電極要求接觸良好、均勻，而厚度合適。

(3) 試樣吸濕后，測得的tgδ值增大，影響測量精度，應當嚴格避免試樣吸潮。

(4) 在測量過程中，注意隨時電橋本體屏蔽的情況，當電橋真正達到平衡，“本體－屏蔽”開關置于任何一邊時，檢查計光帶均應最小，而無大變化。

介質(zhì)損耗試驗儀技術參數(shù)：