介电常数和介电损耗正切的测定
1.实验目的
①了解测定高分子材料介电常数和介电损耗角正切测定的基本原理
②掌握高分子材料材料介电常数和介电损耗角正切测定的测定方法
2.实验原理
介电常数是表征绝缘材料在交流电场下，介质极化程度的一个参数，它是充满此绝缘材料的电容器的电容量与以真空为电介质时同样电极尺寸的电容器的电容量的比值。介质损耗角正切是表征该绝缘材料在交流电场下能量损耗的一个参数，是外施正弦电压与通过试样的电流之间的相对的余角正切。
测定高分子材料介电常数和介电损耗角正切实验方法有：工频高压电桥法和变电纳法。
本实验采用工频高压电桥法。其工作原理为：被测试样与无损耗标准电容Co是电桥的两相邻桥臂，桥臂R3是无感电阻，与它相邻的臂由电容C4和恒定电阻R4并联构成。在电阻R4的中点和屏蔽间接有一可调电容Ca来完成线路的对称操作。线路的对称在这里理解为使“臂R3对屏蔽”及“臂R4对屏蔽”的寄生电容固定且相等。由于电阻线圈R3中的金属线比电阻R4长得多，臂R3的寄生电容也将大于臂R4的寄生电容。附加电容Ca可以增大臂R4的电容泄漏，使其数值与臂R3的泄漏相等。臂Ca和Co的寄生电容不大，因此不用对他们加以平衡。
保护电压e的作用是消除放大器P处顶点可能存在的泄漏电流，为此e是一个将桥P处顶点的电位引向地电位的装置。
这主类电桥平衡后必然有：Zx·Z4＝Zs·Z3 ……（3-45）
其中 Zx＝j / (ωCx)
Zs＝j / (ωCs)
Z3=R3
Z4=[（1 / R4）+ jωC4]-1
由平衡条件及tgδ定义可计算出：tgδ=2πf C4·R4·10-12
当f＝50Hz，R4＝10000/πΩ时，有tgδ= C4·10-6，即可用C4直接表示tgδ值。根据式（3-45）计算可得到：
C4=C3·(R4 / R3)·[1+(1/ tg2δ)]
ε＝Cs / Co
本方法适用于测试固体电工绝缘材料如绝缘漆、树脂和胶、浸渍纤维制品、层压制品、云母及其制品、塑料、薄膜复合制品、陶瓷和玻璃等的相对介电常数与介质损耗角正切以及由它们计算出来的相关参数，例如损耗因素。
对有些绝缘材料如橡胶以及橡胶制品，薄膜等的上述性能实验，可按照有关标准或者参考本标准进行。
3.实验试样
本次实验采用多型腔圆片模具注塑成型的高密度聚乙烯圆片试样.直径120mm厚度3mm(由材料形状,电极选二电极,板状电极)
4.实验设备
ZJD-87高压自动介电常数测试仪 北京航天纵横检测设备有限公司生产
电极 采用板状圆形电极
5.实验数据
序号 | Ca0 | ξ | |
1 | 52.35 | 2.20 | |
2 | 52.67 | 1.90 | |
3 | 52.67 | 1.64 | |
序号 | R3(Ω) | tgδ | t |
1 | 1385 | 45.4 | 3.32 |
2 | 1587 | 45.3 | 3.30 |
3 | 1838 | 40.5 | 3.30 |
6.思考题
1. 实验要求试样厚度不大于3mm的原因?
答：试样的厚度如果大于3mm，为了测得他的介电常数，需要一个很高的电压，这样使得设备条件更加苛刻，实验环境也不安全。
2. 试样中含有杂质的测试结果?
答：介电系数增大，导电介质或极性杂质的存在，会增加高聚物的导电电流和极化率，因而使介电损耗增大，特别是对于非极性高聚物来说，杂质成了引起介电损耗的主要原因。
3．实验环境条件如温度、湿度对测定结果的影响。
温度：温度变化会引起高聚物的粘度变化，因而极化建立过程所需要的时间也起变化。温度对取向极化（介电常数）有两种相反的作用，一方面温度升高，分子间相互作用减弱，粘度下降，使偶极转动取向容易进行，介电常数增加；另一方面，温度升高，分子热运动加剧，对偶极转动干扰增加，使极化减弱，介电系数下降。对于一般的高聚物来说，在温度不太高时，前者占主导地位，因而温度升高，介电常数增大，到一定范围，后者超过前者，介电常数即开始随温度升高而减小。
湿度：湿度越大，水分越多，能明显增加高聚物介电损耗的极性杂质。在低频下，它主要以离子电导形式增加电导电流，引起介电损耗；在微波频率范围，水分子本身发生偶极松弛，出现损耗峰。对于极性高聚物，水有不同程度的增塑作用，尤其是聚酰胺类和聚丙烯酸酯类等，结果将使高聚物的介电损耗峰向较低温度移动。水对热固性塑料也有影响。
