实验三： 电介质材料介电性能的测试.doc

物理专业实验报告

专业 班级 1 姓名 学号
实验名称 电介质材料介电性能的测试 实验地点 实验日期

【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。
【实验仪器】
1、仪器设备：
(1) TH2818阻抗分析仪、电感箱、样品夹具等；
(2) 千分游标卡尺；
(3)导电银浆；
2、样品要求：圆形片：厚度2±0.5mm，直径为Φ38±1mm。
【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。

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。
tg
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。
3、Q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e和tgd。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。
Q表的测量回路是一个简单的R—L—C回路，如图1所示。当回路两瑞加上电压V后，电容器C的两端电压为Vc，调节电容器C使回路谐振后，回路的品质因数Q就可以用下式表示：

式中：L —回路电感；
R —回路电阻；
Vc —电容器C两端电压；
V —回路两端电压；

图1 Q表测量原理图
由上式可知，当输入电压V不变时，则Q与Vc成正比。因此在一定输入下，Vc值可直接标示为Q值。Q值表即根据这一原理来制造。
4、STD－A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CBl、Q值电压表CB2、宽频低阻分压器以及标准可调电容器等组成(图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。

图2 Q表测量电路图

经推导(1) 介电常数：
(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：
(2)
式中：Q1—标准状态下的Q值；
Q2—样品测试的Q值；
(3) Q值：
(3)
【实验内容】
1、本仪器适用于110V/220V，50Hz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)。
【实验数据】

【思考题】
1、 测试环境对材料的介电常数和介质损耗角正切值有何影响，为什么？
答：温度和湿度对测试结果有影响。高湿的作用使水分子扩散到高分子的分子间，使材料的极性增强，同时潮湿的空气作用于材料的表面，会使材料表面形成一个水膜层，它具有离子性质，增加表面电导，会使和tg增加。有的材料具有多重转变，在同一频率下，其介电性能随温度变化很大，特别是在松弛区变化剧烈，因而必须规定标准的温度，以进行标准化测量。
2、 试样厚度对介电常数的测量有何影响，为什么？
答：，试样厚度越大，介电常数越大。
3、 电场频率对极化、介电常数和介质损耗有何影响，为什么？
答：低频交流变电场下，所有极化均有足够时间发生，这时介电常数最大。在高频交变电荷下跟不上外电场变化，介电常数变小。频率处于上述两种电场之间，取向虽能跟上电场的变化，但不同相落后e。发生滞后现象，们有介质损耗，介电常数处于中间值。
教师评语：
1. 实验预习：（ 认真、 较认真、 一般、 较差、 很差 ）；占30%
2. 原始数据及实验结果：（ 准确合理、 较准确、 不合理 ）；占30%
3. 实验所要求的误差分析或作图：（ 规范、 中等、 不规范 ）；占20%
4. 报告排版整齐度：（ 很好、 较好、 中等、 较差、 很差 ）；占20%
评定等级：（ ） 教师签名： 日期：