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介质损耗与介质损耗因子测量方式

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2023/3/8 15:20:57

介电损耗:

    介电材料在交变电场中极化时,因极化方向的变化而损耗部分能量并发热,称之为介电损耗。在表征电介质材料介电性能时,一般用损耗角正切(tan扮来表示,它与材料因发热而损耗的能量密切相关。在表征介质材料时,介电常数:和介电损耗tans主要由材料本身的物质属性所决定,材料的制备工艺及微观形态会对其介电性能产生不同程度的影响,而外部条件如工作频率,使用温度,工作环境等也会影响到材料的介电性能[}2o-zz}。介电损耗的产生主要归因于两点:一是在电场作用下电介质所含的导电载流子流动时,需要克服内摩擦力而消耗部分电能,这种损耗称之为电导损耗;另一原因是偶极的取向极化松弛引起的。对非极性高聚物来说,电导损耗可能是主要的,对于极性高聚物而言后一介电损耗则是主要部分。

    我们以电容器的能量损耗为例研究介电损耗,假设有一个电容量为C。的真空电容器,在两极上施加一个频率为。,电压为V的交变电压,其电压表达式为:V=Vne`m,则流过真空电容器的电流总是超前电压相位900为:


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如果在该电容器两极板件填满电介质,并施加交变电场,那么电介质的取向极化不能全追随外电场的变化,则发生介电损耗,此时通过电容器的电流工‘与电压的相位差是cp=900-8,工‘与外加电压V的关系为:


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我们知道材料的复介电常数表达如下:


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    式1-20中s为复介电常数,E}为与电压方向成90。方向的分量,称为介电常数的实部;e为与电压平行方向的分量,为介电常数的虚部。将1-20代入1-19得:


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    式中,Ic与电压的相位差为900相位,相当于流过“纯电阻”的电流,起的相位角滞后量规定为介电损耗角其与复介电常数的关系为:相当于流过“纯电容”的电流;L与电压同即“损耗”电流。将由于介电损耗存在引6,介电损耗角正切用来描述介电损耗程度,


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    8称为介质损耗角,介质损耗角正切值tan8称为介质损耗,用来表征电介质介电损耗的物理量。由上可见,。“正比于tan8,因此也常用。”来表示材料介电损耗的大小,通常称:“为介电损耗因子。

    在交变电场中,三种极化都是电场频率的函数。在低频电场中,三种极化都能跟上外电场的变化,电介质不产生损耗;随着电场频率的增加,首先是取向极化跟不上电场的变化。这时电介质放出的能量小于吸收的能量,这个能量消耗于克服偶极子取向时所受的摩擦阻力,从而使电介质发热,这就产生了介质损耗;当电场频率进一步提高时,偶极子的取向极化全跟不上电场的变化,取向极化不发生,因而介质损耗急剧下降。由于电子极化和原子极化极快,由它们引起的损耗发生在更高的频率范围:原子极化损耗在红外光谱区;电子极化损耗在紫外光谱区。因此在电频区,只有取向极化引起的介质损耗。

    介电损耗的物理意义如下。介质电容器损耗的功率大小P表示为P=VIcoscp,由于coscp=sin8,因此P=VIsinB=VI}tan},同时存在:


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    由式1-23可以看出,理想电容器(即真空电容器):tan8 -0,无能量损失。因此小的损耗角正切值表示能量损耗小。对绝缘材料或做电容器的聚合物材料,一般要求它的介电损耗越小越好,否则会引起材料本身发热,加速材料老化。反之,如果需要对高聚物高频加热进行干燥、模塑或高频焊接,则要求高聚物具有较高的介质损耗值。


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