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(mǎn)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(mǎn)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(chēng)量法測(cè)定厚度。選取試樣的面積時(shí)應(yīng)能提供滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)型的電極在高頻下不能滿(mǎn)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(guò)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。