介电常数|介质损耗因数试验仪

介电常数|介质损耗因数试验仪参数表：

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|介质损耗因数试验仪（介电性能）

　　•损耗的形式 

　　•介质损耗的表示方法

　　•介质损耗和频率、温度的关系

　　•无机介质的损耗

　　介质损耗定义：

　　电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。或：电场作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。它是导致电介质发生热击穿的根源。 

　　损耗的形式：

　　电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。 实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种 条件下都有电导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电 压下的电导损耗是很小的，

　　极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子 的极化损耗。 

　　游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放 电引起的功率损耗称为游离损耗。

　　介质损耗的表示：

　　当容量为C0=e0S/d的平板电容器上 加一交变电压U=U0eiwt。则：

1、电容器极板间为真空介质时， 电容上的电流为：

2、电容器极板间为非极性绝缘材料时，电容上的电流为： 

3、电容器极板间为弱导电性或极性，电容上的电流为： 

G是由自由电荷产生的纯电导，G=sS/d， C=eS/d 

　　如果电荷的运动是自由的， 则G实际上与外电压额率无关；如果这些电荷是被 符号相反的电荷所束缚， 如振动偶极子的情况，G 为频率的函数。

介质弛豫和德拜方程： 

　　1)介质弛豫：在外电场施加或移去后，系统逐渐达到平衡状 态的过程叫介质弛豫。 介质在交变电场中通常发生弛豫现象，极化的弛豫。在介质上加一电场，由于极化过程不是瞬时的，极化包括两项：

　　P(t) = P0 + P1(t)

P0代表瞬时建立的极化(位移极化)， P1代表松弛极化P1(t)渐渐达到一稳定值。这一滞后 通常是由偶极子极化和空间电荷极 化所致。 当时间足够长时， P1(t)→ P 1 ∞ ， 而总极化P(t) → P∞ 。

2)德拜(Debye)方程： 

　　频率对在电介质中不同的驰豫现象有关键性的影响。 设低频或静态时的相对介电常数为ε(0)，称为静态相对介电常数；当频率ω→∞时，相对介电常数εr’ →ε∞( ε∞代表光频 相对介电常数)。则复介电常数为：

影响介质损耗的因素：
 1、频率的影响 

　　ω→0时，此时不存在极化损 耗,主要由电导损耗引起。 tgδ=δ/ωε，则当ω→0时， tgδ→∞。随着ω升高，tgδ↓。

　　随ω↑，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化， 松弛极化对介电常数的贡献 逐渐减小，因而εr随ω↑而↓。 在这一频率范围内，由于ωτ <<1，故tgδ随ω↑而↑。

　　当ω很高时，εr→ε∞，介电常数仅 由位移极化决定，εr趋于最小值。 由于ωτ >>1，此时tgδ随ω↑而↓。 ω→∞时，tgδ→0。
 

tgδ达最大值时ωm的值由下式求出:

　　tgδ的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则tgδ的最大值变得平坦， 最后在很大的电导下，tgδ无最大值，主要表现为电导损耗特征：tgδ与ω成反。
 

2、温度的影响

　　当温度很低时,τ较大，由德拜关系式可知，εr较小，tgδ也较小。此时，由于ω2τ2>>1,由德拜可得：

随温度↑，τ↓，所以εr、tgδ↑

　　当温度较高时，τ较小，此时ω2τ2<<1

随温度↑，τ↓，所以tgδ ↓。这时电导上升并不明显，主要决定于极化过程：

　　当温度继续升高，达到很大值时， 离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，εr↓。此时电导损耗剧烈↑，tgδ也随温度 ↑而急剧上升↑。 

3.湿度的影响 

　　• 介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加，而使tgδ增大。

　　• 对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如，纸内水分含量从4%增加到10%时，其tgδ可增加100倍。

　　降低材料的介质损耗的方法

　　(1)选择合适的主晶相：尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相。

　　(2)改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。这样弱联系离子少，可避免损耗显著增大。

　　(3)尽量减少玻璃相。有较多玻璃相时，应采用“中和效应"和“压抑效应"，以降低玻璃相的损耗。 (4)防止产生多晶转变，多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加 

　　(5)注意焙烧气氛。含钛陶瓷不宜在还原气氛中焙烧。烧成过程中升温速度要合适，防止产品急冷急热。

　　(6)控制好最终烧结温度，使产品“正烧"，防止“生烧"和“过烧"以减少气孔率。此外，在工艺过程中应防止杂质的混入，坯体要致密。