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高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值实验目的与原理

发布时间:2022-10-19      点击次数:232

介质损耗和介电常数测量实验


介电特性是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中,电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如,制造电容器的材料要求介电系数尽量大,而介质损耗尽量小。相反地,制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。而在某些特殊情况下,则要求材料的介质损耗较大。所以,通过测定介电常数(e)及介质损耗角正切(tgd),可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素,为提高材料的性能提供依据。

一、实验目的

1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系;

2、了解高频Q表的工作原理;

3、掌握室温下用高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。

二、实验原理

按照物质电结构的观点,任何物质都是由不同的电荷构成,而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性,这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率,各种极化过程的影响不同。

1、介电常数(e):某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量Cx与同样大小的介质为真空的电容器的电容量Co之比值,被称为该电介质材料的相对介电常数。

image.png

式中:Cx 电容器两极板充满介质时的电容;

Co 电容器两极板为真空时的电容;

e 电容量增加的倍数,即相对介电常数

介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料,e要小,特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时,则要求e要大,特别是小型电容器。

在绝缘技术中,特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时,都需要考虑电介质的介电常数。此外,由于介电常数取决于极化,而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以,通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究,还可以推断绝缘材料的分子结构。

2.介电损耗(tgd)指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。在直流电场作用下,介质没有周期性损耗,基本上是稳态电流造成的损耗;在交流电场作用下,介质损耗除了稳态电流损耗外,还有各种交流损耗。由于电场的频繁转向,电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍),因此介质损耗通常是指交流损耗。

在工程中,常将介电损耗用介质损耗角正切tgd来表示。tgd是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例,它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比,是衡量材料损耗程度的物理量。

image.png

式中:ω 电源角频率;

R 并联等效交流电阻;

C 并联等效交流电容器

凡是体积电阻率小的,其介电损耗就大。介质损耗对于用在高压装置、高频设备,特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义,介质损耗过大,不仅降低整机的性能,甚至会造成绝缘材料的热击穿。

3Q值:tgd的倒数称为品质因素,或称Q值。Q值大,介电损失小,说明品质好。所以在选用电介质前,必须首先测定它们的etgd。而这两者的测定是分不开的。

通常测量材料介电常数和介质损耗角正切的方法有二种:交流电桥法和Q表测量法,其中Q表测量法在测量时由于操作与计算比较简便而广泛采用。本实验主要采用的是Q表测量法。

4、陶瓷介质损耗角正切及介电常数测试仪:它由稳压电源、高频信号发生器、定位电压表CBlQ值电压表CB2、宽频低阻分压器以及标准可调电容器等组成(2)。工作原理如下:高频信导发生器的输出信号,通过低阻抗耦合线圈将信号馈送至宽频低阻抗分压器。输出信号幅度的调节是通过控制振荡器的帘栅极电压来实现。当调节定位电压表CBl指在定位线上时,Ri两端得到约l0mV的电压(Vi)。当Vi调节在一定数值(10mV)后,可以使测量Vc的电压表CB2直接以Q值刻度,即可直接的读出Q值,而不必计算。另外,电路中采用宽频低阻分压器的原因是:如果直接测量Vi必须增加大量电子组件才能测量出高频低电压信号,成本较高。若使用宽频低阻分压器后则可用普通电压表达到同样的目的。

image.png

经推导(1) 介电常数:

image.png (1)

式中:C1—标准状态下的电容量;

C2—样品测试的电容量;

d—试样的厚度(cm)

Φ—试样的直径(cm)

(2) 介质损耗角正切:

image.png (2)

式中:Q1—标准状态下的Q值;

Q2—样品测试的Q值;

(3) Q值:

image.png (3)

三、实验仪器及设备

1、仪器设备:

(1) Q表测试仪、电感箱、样品夹具等;

(2) 千分游标卡尺;

2、样品要求:圆形片:厚度2±0.5mm,直径为Φ38±1mm

四、实验步骤

1、本仪器适用于110V/220V50Hz交流电,使用前要检查电压情况,以保证测试条件的稳定。

2、开机预热15分钟,使仪器恢复正常状态后才能开始测试。

3、按部件标准制备好的测试样品,两面用特种铅笔或导电银浆涂覆,使样品两面都各自导电,但南面之间不能导通,备用。

4、选择适当的辅助线圈插入电感接线柱。根据需要选择振荡器频率,调节测试电路电容器使电路谐振。假定谐振时电容为C1,品质因素为Q1

5、将被测样品接在Cx接线柱上。

6、再调节测试电路电容器使电路谐振,这时电容为C2,可以直接读出Q2

7、用游标卡尺量出试样的直径Φ和厚度d(分别在不同位置测得两个数据,再取其平均值)


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