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C_o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C_a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C_a可以增大臂R₄的電容泄漏，使其數值與臂R₃的泄漏相等。臂C_a和C_o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：Z_x·Z₄＝Z_s·Z₃ ……（3-45）

其中 Z_x＝j / (ωC_x)  

Z_s＝j / (ωC_s)  

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＝C_s / C_o

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-87高壓自動介電常數測試儀 北京航天縱橫檢測設備有限公司生產

電極      采用板狀圓形電極

5.實驗數據

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。

2. 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。