介電常數(shù)|介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)儀參數(shù)表：

介電常數(shù)與耗散因數(shù)間的關(guān)系

　　介電常數(shù)又稱電容率或相對(duì)電容率， 是表征電介質(zhì)或絕緣材料電 性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，常用 ε 表示。  介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng) 電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)(真空中)與最終介質(zhì)中電場(chǎng)比值即為介 電常數(shù)。其表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對(duì)能力， 例如一個(gè)電 容板中充入介電常數(shù)為 ε 的物質(zhì)后可使其電容變大 ε 倍。介電常數(shù)愈 小絕緣性愈好。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中， 場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在 電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)還用來表示介質(zhì)的極化程度， 宏觀 的介電常數(shù)的大小， 反應(yīng)了微觀的極化現(xiàn)象的強(qiáng)弱。氣體電介質(zhì)的極 化現(xiàn)象比較弱，各種氣體的相對(duì)介電常數(shù)都接近1 ，液體、固體的介 電常數(shù)則各不相同，而且介電常數(shù)還與溫度、電源頻率有關(guān)

　　有些物質(zhì)介電常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式， 其實(shí)部即為介電常數(shù)， 虛數(shù)部 分常稱為耗散因數(shù)。

　　通常將耗散因數(shù)與介電常數(shù)之比稱作耗散角正切， 其可表示材料 與微波的耦合能力， 耗散角正切值越大， 材料與微波的耦合能力就越 強(qiáng)。例如當(dāng)電磁波穿過電解質(zhì)時(shí)，波的速度被減小，波長(zhǎng)也變短了。

　　介質(zhì)損耗是指置于交流電場(chǎng)中的介質(zhì)， 以內(nèi)部發(fā)熱的形式表現(xiàn)出 來的能量損耗。介質(zhì)損耗角是指對(duì)介質(zhì)施加交流電壓時(shí)， 介質(zhì)內(nèi)部流 過的電流相量與電壓向量之間的夾角的余角。介質(zhì)損耗角正切是對(duì)電 介質(zhì)施加正弦波電壓時(shí)， 外施電壓與相同頻率的電流之間相角的余角 δ  的正切值--tg δ.  其物理意義是：每個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量//每個(gè)

　　周期內(nèi)介質(zhì)存儲(chǔ)的能量。

　　介電損耗角正切常用來表征介質(zhì)的介電損耗。介電損耗是指電 介質(zhì)在交變電場(chǎng)中, 由于消耗部分電能而使電介質(zhì)本身發(fā)熱的現(xiàn)象。 原因是電介質(zhì)中含有能導(dǎo)電的載流子,在外加電場(chǎng)作用下,產(chǎn)生導(dǎo)電電 流,消耗掉一部分電能,轉(zhuǎn)為熱能。任何電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下都有能量

　　損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和由某些極化過程引起的損耗。

　　用 tg δ作為綜合反應(yīng)介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)， 其是一個(gè)僅僅取 決于材料本身的損耗特征而與其他因素?zé)o關(guān)的物理量， tgδ的增大意 味著介質(zhì)絕緣性能變差， 實(shí)踐中通常通過測(cè)量 tgδ來判斷設(shè)備絕緣性 能的好壞。

　　由于介電損耗的作用電解質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下將長(zhǎng)生熱量， 這些 熱會(huì)使電介質(zhì)升溫并可能引起熱擊穿， 因此， 在絕緣技術(shù)中， 特別是 當(dāng)絕緣材料用于高電場(chǎng)強(qiáng)度或高頻的場(chǎng)合，應(yīng)盡量采用介質(zhì)損耗因 數(shù)， 即電介質(zhì)損耗角正切 tgδ較低的材料。但是， 電介質(zhì)損耗也可用 作一種電加熱手段，即利用高頻電場(chǎng)(一般為0.3--300兆赫茲)對(duì)介 電常數(shù)大的材料(如木材、紙張、陶瓷等) 進(jìn)行加熱。這種加熱由于 熱量產(chǎn)生在介質(zhì)內(nèi)部， 比外部加熱速度更快、熱效率更高， 而且熱均 勻。頻率高于300兆赫時(shí)，達(dá)到微波波段，即為微波加熱(家用微波 爐即據(jù)此原理)。

　　在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)， 必須注意材料的 tgδ值。若 tgδ過大則會(huì)引起嚴(yán) 重發(fā)熱，使絕緣材料加速老化，甚至導(dǎo)致熱擊穿。 

　　一下例舉一些材料的 ε 值：

　　石英-----3.8

　　絕緣陶瓷-----6.0

　　紙------70

　　有機(jī)玻璃------2.63

　　PE-------2.3

　　PVC--------3.8

　　高分子材料的 ε 由主鏈中的鍵的性能和排列決定 

　　分子結(jié)構(gòu)極性越強(qiáng)， ε 和 tg δ越大。 

　　非極性材料的極化程度較小， ε 和 tg δ都較小。 

　　當(dāng)電介質(zhì)用在不同場(chǎng)合時(shí)對(duì)介電常數(shù)與耗散因素的大小有不同 的要求。做電容介質(zhì)時(shí) ε 大、 tg δ??；對(duì)航空航天材料而言， ε 要小 tg δ要大。

　　另外要注意材料的極性越強(qiáng)受濕度的影響越明顯。主要原因是高 濕的作用使水分子擴(kuò)散到高分子的分子之間， 使其極性增強(qiáng)； 同時(shí)潮 濕的空氣作用于塑料表面， 幾乎在幾分鐘內(nèi)就使介質(zhì)的表面形成一層 水膜， 它具有離子性質(zhì)， 能增加表面電導(dǎo)， 因此使材料的介電常數(shù)和 介質(zhì)損耗角正切 tgδ都隨之增大。故在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意電介質(zhì)的周 圍環(huán)境。

　　電介質(zhì)在現(xiàn)代生活中經(jīng)常被用到， 而介電常數(shù)與耗散因素是電介 質(zhì)的兩個(gè)重要參數(shù)， 根據(jù)不同的要求， 應(yīng)當(dāng)選用具有不用介電常數(shù)與 耗散因數(shù)的材料， 以達(dá)到最佳的效果。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意外界因素對(duì)介 電常數(shù)與耗散因數(shù)的影響。

 介電常數(shù)|介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)儀（介電性能）

　　•損耗的形式 

　　•介質(zhì)損耗的表示方法

　　•介質(zhì)損耗和頻率、溫度的關(guān)系

　　•無機(jī)介質(zhì)的損耗

　　介質(zhì)損耗定義：

　　電介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量稱為電介質(zhì)損耗功率，簡(jiǎn)稱電介質(zhì)損耗。或：電場(chǎng)作用下的能量損耗，由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽鐭崮堋⒐饽艿龋y(tǒng)稱為介質(zhì)損耗。它是導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生熱擊穿的根源。 

　　損耗的形式：

　　電導(dǎo)損耗：在電場(chǎng)作用下，介質(zhì)中會(huì)有泄漏電流流過，引起電導(dǎo)損耗。 實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于交流、直流電流流過電阻做功，故在這兩種 條件下都有電導(dǎo)損耗。絕緣好時(shí)，液、固電介質(zhì)在工作電 壓下的電導(dǎo)損耗是很小的，

　　極化損耗：只有緩慢極化過程才會(huì)引起能量損耗，如偶極子 的極化損耗。 

　　游離損耗：氣體間隙中的電暈損耗和液、固絕緣體中局部放 電引起的功率損耗稱為游離損耗。

　　介質(zhì)損耗的表示：

　　當(dāng)容量為C0=e0S/d的平板電容器上 加一交變電壓U=U0eiwt。則：

1、電容器極板間為真空介質(zhì)時(shí)， 電容上的電流為：

2、電容器極板間為非極性絕緣材料時(shí)，電容上的電流為： 

3、電容器極板間為弱導(dǎo)電性或極性，電容上的電流為： 

G是由自由電荷產(chǎn)生的純電導(dǎo)，G=sS/d， C=eS/d 

　　如果電荷的運(yùn)動(dòng)是自由的， 則G實(shí)際上與外電壓額率無關(guān)；如果這些電荷是被 符號(hào)相反的電荷所束縛， 如振動(dòng)偶極子的情況，G 為頻率的函數(shù)。

介質(zhì)弛豫和德拜方程： 

　　1)介質(zhì)弛豫：在外電場(chǎng)施加或移去后，系統(tǒng)逐漸達(dá)到平衡狀 態(tài)的過程叫介質(zhì)弛豫。 介質(zhì)在交變電場(chǎng)中通常發(fā)生弛豫現(xiàn)象，極化的弛豫。在介質(zhì)上加一電場(chǎng)，由于極化過程不是瞬時(shí)的，極化包括兩項(xiàng)：

　　P(t) = P0 + P1(t)

P0代表瞬時(shí)建立的極化(位移極化)， P1代表松弛極化P1(t)漸漸達(dá)到一穩(wěn)定值。這一滯后 通常是由偶極子極化和空間電荷極 化所致。 當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)， P1(t)→ P 1 ∞ ， 而總極化P(t) → P∞ 。

2)德拜(Debye)方程： 

　　頻率對(duì)在電介質(zhì)中不同的馳豫現(xiàn)象有關(guān)鍵性的影響。 設(shè)低頻或靜態(tài)時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)為ε(0)，稱為靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)；當(dāng)頻率ω→∞時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)εr’ →ε∞( ε∞代表光頻 相對(duì)介電常數(shù))。則復(fù)介電常數(shù)為：

影響介質(zhì)損耗的因素：
 1、頻率的影響 

　　ω→0時(shí)，此時(shí)不存在極化損 耗,主要由電導(dǎo)損耗引起。 tgδ=δ/ωε，則當(dāng)ω→0時(shí)， tgδ→∞。隨著ω升高，tgδ↓。

　　隨ω↑，松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場(chǎng)的變化， 松弛極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn) 逐漸減小，因而εr隨ω↑而↓。 在這一頻率范圍內(nèi)，由于ωτ <<1，故tgδ隨ω↑而↑。

　　當(dāng)ω很高時(shí)，εr→ε∞，介電常數(shù)僅 由位移極化決定，εr趨于最小值。 由于ωτ >>1，此時(shí)tgδ隨ω↑而↓。 ω→∞時(shí)，tgδ→0。
 

tgδ達(dá)最大值時(shí)ωm的值由下式求出:

　　tgδ的最大值主要由松弛過程決定。如果介質(zhì)電導(dǎo)顯著變大，則tgδ的最大值變得平坦， 最后在很大的電導(dǎo)下，tgδ無最大值，主要表現(xiàn)為電導(dǎo)損耗特征：tgδ與ω成反。
 

2、溫度的影響

　　當(dāng)溫度很低時(shí),τ較大，由德拜關(guān)系式可知，εr較小，tgδ也較小。此時(shí)，由于ω2τ2>>1,由德拜可得：

隨溫度↑，τ↓，所以εr、tgδ↑

　　當(dāng)溫度較高時(shí)，τ較小，此時(shí)ω2τ2<<1

隨溫度↑，τ↓，所以tgδ ↓。這時(shí)電導(dǎo)上升并不明顯，主要決定于極化過程：

　　當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到很大值時(shí)， 離子熱運(yùn)動(dòng)能量很大，離子在電場(chǎng)作用下的定向遷移受到熱運(yùn)動(dòng)的阻礙，因而極化減弱，εr↓。此時(shí)電導(dǎo)損耗劇烈↑，tgδ也隨溫度 ↑而急劇上升↑。 

3.濕度的影響 

　　• 介質(zhì)吸潮后，介電常數(shù)會(huì)增加，但比電導(dǎo)的增加要慢，由于電導(dǎo)損耗增大以及松馳極化損耗增加，而使tgδ增大。

　　• 對(duì)于極性電介質(zhì)或多孔材料來說，這種影響特別突出，如，紙內(nèi)水分含量從4%增加到10%時(shí)，其tgδ可增加100倍。

　　降低材料的介質(zhì)損耗的方法

　　(1)選擇合適的主晶相：盡量選擇結(jié)構(gòu)緊密的晶體作為主晶相。

　　(2)改善主晶相性能時(shí)，盡量避免產(chǎn)生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形成連續(xù)固溶體。這樣弱聯(lián)系離子少，可避免損耗顯著增大。

　　(3)盡量減少玻璃相。有較多玻璃相時(shí)，應(yīng)采用“中和效應(yīng)"和“壓抑效應(yīng)"，以降低玻璃相的損耗。 (4)防止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)變，多晶轉(zhuǎn)變時(shí)晶格缺陷多，電性能下降，損耗增加 

　　(5)注意焙燒氣氛。含鈦陶瓷不宜在還原氣氛中焙燒。燒成過程中升溫速度要合適，防止產(chǎn)品急冷急熱。

　　(6)控制好最終燒結(jié)溫度，使產(chǎn)品“正燒"，防止“生燒"和“過燒"以減少氣孔率。此外，在工藝過程中應(yīng)防止雜質(zhì)的混入，坯體要致密。