電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法

[介質(zhì)]損耗指數(shù)

 為了避免邊緣效應(yīng)引起電容率的測(cè)量誤差，電極系統(tǒng)可加上保護(hù)電極。保護(hù)電極的寬度應(yīng)至少為兩倍的試樣厚度，保護(hù)電極和主電極之間的間隙應(yīng)比試樣厚度小。假如不能用保護(hù)環(huán)，通常需對(duì)邊緣電容進(jìn)行修正，表1給出了近似計(jì)算公式。這些公式是經(jīng)驗(yàn)公式，只適用于規(guī)定的幾種特定的試樣形狀。

此外，在一個(gè)合適的頻率和溫度下，邊緣電容可采用有保護(hù)環(huán)和無(wú)保護(hù)環(huán)的（比較）測(cè)量來(lái)獲得，用所得到的邊緣電容修正其他頻率和溫度下的電容也可滿足精度要求。

該材料的損耗因數(shù)tanδ與相對(duì)電容率ε_r的乘積。

復(fù)相對(duì)電容率

由相對(duì)電容率和損耗指數(shù)結(jié)合而得到的：

電介質(zhì)的用途

電介質(zhì)一般被用在兩個(gè)不同的方面：

用作電氣回路元件的支撐，并且使元件對(duì)地絕緣及元件之間相互絕緣；

用作電容器介質(zhì)。

頻率

因?yàn)橹挥猩贁?shù)材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很寬的頻率范圍內(nèi)它們的ε_r和tanδ幾乎是恒定的，且被用作工程電介質(zhì)材料，然而一般的電介質(zhì)材料必須在所使用的頻率下測(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)和電容率。

電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的變化是由于介質(zhì)極化和電導(dǎo)而產(chǎn)生，重要的變化是極性分子引起的偶極子極化和材料的不均勻性導(dǎo)致的界面極化所引起的。

溫度

損耗指數(shù)在一個(gè)頻率下可以出現(xiàn)一個(gè)值，這個(gè)頻率值與電介質(zhì)材料的溫度有關(guān)。介質(zhì)損耗因數(shù)和電容率的溫度系數(shù)可以是正的或負(fù)的，這取決于在測(cè)量溫度下的介質(zhì)損耗指數(shù)值位置。

濕度

極化的程度隨水分的吸收量或電介質(zhì)材料表面水膜的形成而增加，其結(jié)果使電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電導(dǎo)率增大。因此試驗(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行控制是*的。

試樣的幾何形狀

測(cè)定材料的電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)，采用板狀試樣，也可采用管狀試樣。

在測(cè)定電容率需要較高精度時(shí)，的誤差來(lái)自試樣尺寸的誤差，尤其是試樣厚度的誤差，因此厚度應(yīng)足夠大，以滿足測(cè)量所需要的度。厚度的選取決定于試樣的制備方法和各點(diǎn)間厚度的變化。對(duì)1%的度來(lái)講，1.5mm的厚度就足夠了，但是對(duì)于更高度，采用較厚的試樣，例如6mm?12mm。測(cè)量厚度必須使測(cè)量點(diǎn)有規(guī)則地分布在整個(gè)試樣表面上，且厚度均勻度在±1%內(nèi)。如果材料的密度是已知的，則可用稱量法測(cè)定厚度。選取試樣的面積時(shí)應(yīng)能提供滿足精度要求的試樣電容。測(cè)量10pF的電容時(shí)，使用有良好屏蔽保護(hù)的儀器。由于現(xiàn)有儀器的極限分辨能力約1pF，因此試樣應(yīng)薄些，直徑為10cm或更大些。

需要測(cè)低損耗因數(shù)值時(shí)，很重要的一點(diǎn)是導(dǎo)線串聯(lián)電阻引人的損耗要盡可能地小，即被測(cè)電容和該電阻的乘積要盡可能小。同樣，被測(cè)電容對(duì)總電容的比值要盡可能地大。點(diǎn)表示導(dǎo)線電阻要盡可能低及試樣電容要小,第二點(diǎn)表示接有試樣橋臂的總電容要盡可能小，且試樣電容要大。因此試樣電容好取值為20pF，在測(cè)量回路中，與試樣并聯(lián)的電容不應(yīng)大于約5pF，

加到試樣上的電極

電極可選用5.1.3中任意一種。如果不用保護(hù)環(huán)，而且試樣上下的兩個(gè)電極難以對(duì)齊時(shí)，其中一個(gè)電極應(yīng)比另一個(gè)電極大些。已經(jīng)加有電極的試樣應(yīng)放置在兩個(gè)金屬電極之間，這兩個(gè)金屬電極要比試樣上的電極稍小些。對(duì)于平板形和圓柱形這兩種不同電極結(jié)構(gòu)的電容計(jì)算公式以及邊緣電容近似計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。

流體排出法

在電容率近似等于試樣的電容率，而介質(zhì)損耗因數(shù)可以忽略的一種液體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量與試樣厚度測(cè)量的精度關(guān)系不大。當(dāng)相繼采用兩種流體時(shí)，試樣厚度和電極系統(tǒng)的尺寸可以從計(jì)算公式中消去。

試樣為與試驗(yàn)池電極直徑相同的圓片，或?qū)y(cè)微計(jì)電極來(lái)說(shuō)，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)。在測(cè)微計(jì)電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測(cè)微計(jì)電極直徑小兩倍的試樣厚度。

對(duì)于介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)量，這種類型的電極在高頻下不能滿足要求，除非試樣的表面和金屬板都非常平整。圖1所示的電極系統(tǒng)也要求試樣厚度均勻。.

注：濕度的顯著影響常常發(fā)生在1MHz以下及微波頻率范圍內(nèi)。

板狀試樣

考慮下面兩點(diǎn)很重要：

a）不加電極，測(cè)量時(shí)快而方便，并可避免由于試樣和電極間的不良接觸而引起的誤差。

b）若試樣上是加電極的，由測(cè)量試樣厚度h時(shí)的相對(duì)誤差△h/h所引起的相對(duì)電容率的相對(duì)誤差△ε_r/ε_r可由下式得到：

……………………………（12）

式中：

△ε_r——相對(duì)電容率的偏差；

ε_r——相對(duì)電容率；

h——試樣厚度； 

Ah——試樣厚度的偏差。

若試樣上加電極，且試樣放在有固定距離S>h的兩個(gè)電極之間，這時(shí)

 ……………………………（13）

式中：

△ε_r、ε_r、h同式（12）。

ε_r——試樣浸入所用流體的相對(duì)電容率，對(duì)于在空氣中的測(cè)量則ε_r等于1。

對(duì)于相對(duì)電容率為10以上的無(wú)孔材料，可采用沉積金屬電極。對(duì)于這些材料，電極應(yīng)覆蓋在試樣的整個(gè)表面上，并且不用保護(hù)電極。對(duì)于相對(duì)電容率在3?10之間的材料，能給出高精度的電極是金屬箔、汞或沉積金屬，選擇這些電極時(shí)要注意適合材料的性能。若厚度的測(cè)量能達(dá)到足夠精度時(shí)，試樣上不加電極的方法方便而更可取。假如有一種合適的流體，它的相對(duì)電容率已知或者能很準(zhǔn)確地測(cè)出，則采用流體排出法是好的。

管狀試樣

對(duì)管狀試樣而言，合適的電極系統(tǒng)將取決于它的電容率、管壁厚度、直徑和所要求的測(cè)量精度。一般情況下，電極系統(tǒng)應(yīng)為一個(gè)內(nèi)電極和一個(gè)稍為窄一些的外電極和外電極兩端的保護(hù)電極組成，外電極和保護(hù)電極之間的間隙應(yīng)比管壁厚度小。對(duì)小直徑和中等直徑的管狀試樣，外表面可加三條箔帶或沉積金屬帶，中間一條用作為外電極（測(cè)量電極），兩端各有一條用作保護(hù)電極。內(nèi)電極可用汞，沉積金屬膜或配合較好的金屬芯軸。

高電容率的管狀試樣，其內(nèi)電極和外電極可以伸展到管狀試樣的全部長(zhǎng)度上，可以不用保護(hù)電極。

大直徑的管狀或圓筒形試樣，其電極系統(tǒng)可以是圓形或矩形的搭接，并且只對(duì)管的部分圓周進(jìn)行試驗(yàn)。這種試樣可按板狀試樣對(duì)待，金屬箔、沉積金屬膜或配合較好的金屬芯軸內(nèi)電極與金屬箔或沉積金屬膜的外電極和保護(hù)電極一起使用。如采用金屬箔做內(nèi)電極，為了保證電極和試樣之間的良好接觸，需在管內(nèi)采用一個(gè)彈性的可膨脹的夾具。

對(duì)于非常準(zhǔn)確的測(cè)量，在厚度的測(cè)量能達(dá)到足夠的精度時(shí)，可采用試樣上不加電極的系統(tǒng)。對(duì)于相對(duì)電容率ε_r不超過10的管狀試樣，方便的電極是用金屬箔、汞或沉積金屬膜。相對(duì)電容率在10以上的管狀試樣，應(yīng)采用沉積金屬膜電極；瓷管上可采用燒熔金屬電極。電極可像帶材一樣包覆在管狀試樣的全部圓周或部分圓周上。