介电常数和介电损耗正切的测定
1.实验目的
①了解测定高分子材料介电常数和介电损耗角正切测定的基本原理
②掌握高分子材料材料介电常数和介电损耗角正切测定的测定方法
2.实验原理
介电常数是表征绝缘材料在交流电场下，介质极化程度的一个参数，它是充满此绝缘材料的电容器的电容量与以真空为电介质时同样电极尺寸的电容器的电容量的比值。介质损耗角正切是表征该绝缘材料在交流电场下能量损耗的一个参数，是外施正弦电压与通过试样的电流之间的相对的余角正切。测定高分子材料介电常数和介电损耗角正切实验方法有：工频高压电桥法和变电纳法。
本实验采用工频高压电桥法。其工作原理为：被测试样与无损耗标准电容Co是电桥的两相邻桥臂，桥臂R3是无感电阻，与它相邻的臂由电容C4和恒定电阻R4并联构成。在电阻R4的中点和屏蔽间接有一可调电容Ca来完成线路的对称操作。线路的对称在这里理解为使“臂R3对屏蔽”及“臂R4对屏蔽”的寄生电容固定且相等。由于电阻线圈R3中的金属线比电阻R4长得多，臂R3的寄生电容也将大于臂R4的寄生电容。附加电容Ca可以增大臂R4的电容泄漏，使其数值与臂R3的泄漏相等。臂Ca和Co的寄生电容不大，因此不用对他们加以平衡。
保护电压e的作用是消除放大器P处顶点可能存在的泄漏电流，为此e是一个将桥P处顶点的电位引向地电位的装置。
这主类电桥平衡后必然有：Zx·Z4＝Zs·Z3 ……（3-45）
其中 Zx＝j / (ωCx)
Zs＝j / (ωCs)
Z3=R3
Z4=[（1 / R4）+ jωC4]-1
由平衡条件及tgδ定义可计算出：tgδ=2πf C4·R4·10-12
当f＝50Hz，R4＝10000/πΩ时，有tgδ= C4·10-6，即可用C4直接表示tgδ值。根据式（3-45）计算可得到：
C4=C3·(R4 / R3)·[1+(1/ tg2δ)]
ε＝Cs / Co
本方法适用于测试固体电工绝缘材料如绝缘漆、树脂和胶、浸渍纤维制品、层压制品、云母及其制品、塑料、薄膜复合制品、陶瓷和玻璃等的相对介电常数与介质损耗角正切以及由它们计算出来的相关参数，例如损耗因素。
对有些绝缘材料如橡胶以及橡胶制品，薄膜等的上述性能实验，可按照有关标准或者参考本标准进行。
3.实验试样
本次实验采用多型腔圆片模具注塑成型的高密度聚乙烯圆片试样.直径120mm厚度3mm(由材料形状,电极选二电极,板状电极)
4.实验设备
ZJD-C高低频介电常数测试仪 北京智德创新仪器设备有限公司生产
电极 采用板状圆形电极
5.实验数据
| 序号 |
Ca0 |
ξ |
|
| 1 |
52.35 |
2.20 |
|
| 2 |
52.67 |
1.90 |
|
| 3 |
52.67 |
1.64 |
|
| 序号 |
R3(Ω) |
tgδ |
t |
| 1 |
1385 |
45.4 |
3.32 |
| 2 |
1587 |
45.3 |
3.30 |
| 3 |
1838 |
40.5 |
3.30 |
6.思考题
1.实验要求试样厚度不大于3mm的原因?答：试样的厚度如果大于3mm，为了测得他的介电常数，需要一个很高的电压，这样使得设备条件更加苛刻，实验环境也不安全。
3.试样中含有杂质的测试结果?答：介电系数增大，导电介质或极性杂质的存在，会增加高聚物的导电电流和极化率，因而使介电损耗增大，特别是对于非极性高聚物来说，杂质成了引起介电损耗的主要原因。
3.实验环境条件如温度、湿度对测定结果的影响。
温度：温度变化会引起高聚物的粘度变化，因而极化建立过程所需要的时间也起变化。温度对取向极化（介电常数）有两种相反的作用，一方面温度升高，分子间相互作用减弱，粘度下降，使偶极转动取向容易进行，介电常数增加；另一方面，温度升高，分子热运动加剧，对偶极转动干扰增加，使极化减弱，介电系数下降。对于一般的高聚物来说，在温度不太高时，前者占主导地位，因而温度升高，介电常数增大，到一定范围，后者超过前者，介电常数即开始随温度升高而减小。
湿度：湿度越大，水分越多，能明显增加高聚物介电损耗的极性杂质。在低频下，它主要以离子电导形式增加电导电流，引起介电损耗；在微波频率范围，水分子本身发生偶极松弛，出现损耗峰。对于极性高聚物，水有不同程度的增塑作用，尤其是聚酰胺类和聚丙烯酸酯类等，结果将使高聚物的介电损耗峰向较低温度移动。水对热固性塑料也有影响。
介电常数与耗散因数间的关系
介电常数又称电容率或相对电容率， 是表征电介质或绝缘材料电 性能的一个重要数据，常用 ε 表示。 介质在外加电场时会产生感应 电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介 电常数。其表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力， 例如一个电 容板中充入介电常数为 ε 的物质后可使其电容变大 ε 倍。介电常数愈 小绝缘性愈好。如果有高介电常数的材料放在电场中， 场的强度会在 电介质内有可观的下降。介电常数还用来表示介质的极化程度， 宏观 的介电常数的大小， 反应了微观的极化现象的强弱。气体电介质的极 化现象比较弱，各种气体的相对介电常数都接近1 ，液体、固体的介 电常数则各不相同，而且介电常数还与温度、电源频率有关
有些物质介电常数具有复数形式， 其实部即为介电常数， 虚数部 分常称为耗散因数。
通常将耗散因数与介电常数之比称作耗散角正切， 其可表示材料 与微波的耦合能力， 耗散角正切值越大， 材料与微波的耦合能力就越 强。例如当电磁波穿过电解质时，波的速度被减小，波长也变短了。
介质损耗是指置于交流电场中的介质， 以内部发热的形式表现出 来的能量损耗。介质损耗角是指对介质施加交流电压时， 介质内部流 过的电流相量与电压向量之间的夹角的余角。介质损耗角正切是对电 介质施加正弦波电压时， 外施电压与相同频率的电流之间相角的余角 δ 的正切值--tg δ. 其物理意义是：每个周期内介质损耗的能量//每个周期内介质存储的能量。
介电损耗角正切常用来表征介质的介电损耗。介电损耗是指电 介质在交变电场中, 由于消耗部分电能而使电介质本身发热的现象。 原因是电介质中含有能导电的载流子,在外加电场作用下,产生导电电 流,消耗掉一部分电能,转为热能。任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和由某些极化过程引起的损耗。用 tg δ作为综合反应介质损耗特性优劣的指标， 其是一个仅仅取 决于材料本身的损耗特征而与其他因素无关的物理量， tgδ的增大意 味着介质绝缘性能变差， 实践中通常通过测量 tgδ来判断设备绝缘性 能的好坏。
由于介电损耗的作用电解质在交变电场作用下将长生热量， 这些 热会使电介质升温并可能引起热击穿， 因此， 在绝缘技术中， 特别是 当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合，应尽量采用介质损耗因 数， 即电介质损耗角正切 tgδ较低的材料。但是， 电介质损耗也可用 作一种电加热手段，即利用高频电场（一般为0.3--300兆赫兹）对介 电常数大的材料（如木材、纸张、陶瓷等） 进行加热。这种加热由于 热量产生在介质内部， 比外部加热速度更快、热效率更高， 而且热均 匀。频率高于300兆赫时，达到微波波段，即为微波加热（家用微波 炉即据此原理）。
在绝缘设计时， 必须注意材料的 tgδ值。若 tgδ过大则会引起严 重发热，使绝缘材料加速老化，甚至导致热击穿。
一下例举一些材料的 ε 值：
石英-----3.8
绝缘陶瓷-----6.0
纸------70
有机玻璃------2.63
PE-------2.3
PVC--------3.8
高分子材料的 ε 由主链中的键的性能和排列决定
分子结构极性越强， ε 和 tg δ越大。
非极性材料的极化程度较小， ε 和 tg δ都较小。
当电介质用在不同场合时对介电常数与耗散因素的大小有不同 的要求。做电容介质时 ε 大、 tg δ小；对航空航天材料而言， ε 要小 tg δ要大。
另外要注意材料的极性越强受湿度的影响越明显。主要原因是高 湿的作用使水分子扩散到高分子的分子之间， 使其极性增强； 同时潮 湿的空气作用于塑料表面， 几乎在几分钟内就使介质的表面形成一层 水膜， 它具有离子性质， 能增加表面电导， 因此使材料的介电常数和 介质损耗角正切 tgδ都随之增大。故在具体应用时应注意电介质的周 围环境。
电介质在现代生活中经常被用到， 而介电常数与耗散因素是电介 质的两个重要参数， 根据不同的要求， 应当选用具有不用介电常数与 耗散因数的材料， 以达到最佳的效果。同时还应当注意外界因素对介 电常数与耗散因数的影响。
