介电常数介质损耗因数测试仪

介电常数介质损耗因数测试仪—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。

介电常数介质损耗因数测试仪

1、电介质材料简介

电介质材料的体积储能密度万的表达式为：

图1

上式中，ε为电介质材料的相对介电常数‚ε₀为真空介电常数‚为电介质材料的击穿场强。从表达式来看‚提高电介质材料储能密度的途径有两种‚一方面提高电介质材料的介电常数‚另一方面提高电介质材料的击穿场强‚而击穿场强的提高将显著影响储能密度的提高。

2、介电常数

介电常数用来表征电介质材料贮存电荷能力的大小，‚它定义为介质电容器的电容C_x比真空电容器的电容C₀增加的倍数。介电常数的表达式为：

图2

上式中，ε为样品的介电常数‚。ε₀为真空介电常数‚C为试样的电容值‚S为电极面积‚d为试样的厚度。

介电常数实质上是电介质材料极化程度的宏观物理量‚随着测试频率和温度的变化而变化‚由电介质材料自身的物化结构决定。在电场作用下‚如果电介质自身的极化程度很高‚极板上就会产生大量的感应电荷‚那么材料表现出的介电常数就越大‚鉴于此‚对介电常数的考察研究‚就要从电介质材料本身在电场中的极化机制入手‚从材料本身作为研究切入点‚提高其介电常数‚电介质材料处于外加电场中时‚主要有电子极化‚原子极化‚取向极化和空间电荷极化四种机制‚弄清这四种极化机理‚对提高介电常数的研究具有很好的指导意义‚极化类型与频率的关系。

1）电子极化

电介质材料在电场作用下‚原子中带负电荷的电子云相对带正电荷的原子核会发生相对运动‚结果是原子核不再位于电子轨道的中心‚这种情况称为电子极化。电子极化发生在所有的材料中‚所需的时间大约为10^-15S‚发生的频率范围为10¹⁴-10¹⁶Hz。

2）原子极化

电介质材料在电场作用下‚其分子中原子核的排列也会发生畸变‚该过程被称为原子极化。重的核运动要比电子运动迟钝‚因此原子极化不可能像电子极化一样在很高频下发生‚原子极化所需的时间约为10^-13S‚发生的频率范围是10¹⁹-10¹³Hz。

电子极化和原子极化两者都是在分子内的正负电荷中心发生位移‚或者可称为分子形变和分子畸变‚因此这些过程也可称为位移的形变或者畸变‚而所产生的偶极距被称为诱导偶极距。

3）取向极化

电场作用下‚电介质分子中具有的yong久偶极距会由原来的杂乱无章变成排列有序的状态‚由此产生取向极化。这种极化一般需要一、‚发生的频率范围是护。在不加外电场时‚分子的热运动会使偶极距杂乱无章‚指向各个方向的机会均等‚总的均偶极距仍然等于零‚加上外电场‚yong久偶极距会发生移动‚沿着电场方向规则排列起来‚从而发生取向极化。

4)界面极化

前面的三种极化是在均匀介质中发生的，在非均相介质中还存在界面极化，它是指非均匀介质在电场的作用下电子或者离子堆积在非均相的交界处所表现的极化现象。界面极化可以看成是由缺陷偶极距形成的，缺陷偶极距就是在结构缺陷处形成的偶极子，在非均相介质中两种物质的交界面结构是不均匀的，也认为是一种缺陷，在电场的作用下形成很大的偶极距，因为这种极化牵涉到很大的极化质点，所以松弛时间较长，一般为10^-4-10⁴秒，发生的频率范围是10^-5-10²Hz。

各种极化机制的频率范围