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高頻Q表測定材料的介電常數和介質損耗角正切值實驗目的與原理
介質損耗和介電常數測量實驗
介電特性是電介質材料極其重要的性質。在實際應用中，電介質材料的介電系數和介質損耗是非常重要的參數。例如，制造電容器的材料要求介電系數盡量大，而介質損耗盡量小。相反地，制造儀表絕緣器件的材料則要求介電系數和介質損耗都盡量小。而在某些特殊情況下，則要求材料的介質損耗較大。所以，通過測定介電常數(e)及介質損耗角正切(tgd)，可進一步了解影響介質損耗和介電常數的各種因素，為提高材料的性能提供依據。
一、實驗目的
1、探討介質極化與介電常數、介質損耗的關系；
2、了解高頻Q表的工作原理；
3、掌握室溫下用高頻Q表測定材料的介電常數和介質損耗角正切值。
二、實驗原理
按照物質電結構的觀點，任何物質都是由不同的電荷構成，而在電介質中存在原子、分子和離子等。當固體電介質置于電場中后會顯示出一定的極性，這個過程稱為極化。對不同的材料、溫度和頻率，各種極化過程的影響不同。
1、介電常數(e)：某一電介質(如硅酸鹽、高分子材料)組成的電容器在一定電壓作用下所得到的電容量Cx與同樣大小的介質為真空的電容器的電容量Co之比值，被稱為該電介質材料的相對介電常數。
式中：Cx —電容器兩極板充滿介質時的電容；
Co —電容器兩極板為真空時的電容；
e —電容量增加的倍數，即相對介電常數
介電常數的大小表示該介質中空間電荷互相作用減弱的程度。作為高頻絕緣材料，e要小，特別是用于高壓絕緣時。在制造高電容器時，則要求e要大，特別是小型電容器。
在絕緣技術中，特別是選擇絕緣材料或介質貯能材料時，都需要考慮電介質的介電常數。此外，由于介電常數取決于極化，而極化又取決于電介質的分子結構和分子運動的形式。所以，通過介電常數隨電場強度、頻率和溫度變化規律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結構。
2．介電損耗(tgd)：指電介質材料在外電場作用下發熱而損耗的那部分能量。在直流電場作用下，介質沒有周期性損耗，基本上是穩態電流造成的損耗；在交流電場作用下，介質損耗除了穩態電流損耗外，還有各種交流損耗。由于電場的頻繁轉向，電介質中的損耗要比直流電場作用時大許多(有時達到幾千倍)，因此介質損耗通常是指交流損耗。
在工程中，常將介電損耗用介質損耗角正切tgd來表示。tgd是絕緣體的無效消耗的能量對有效輸入的比例，它表示材料在一周期內熱功率損耗與貯存之比，是衡量材料損耗程度的物理量。
式中：ω —電源角頻率；
R —并聯等效交流電阻；
C —并聯等效交流電容器
凡是體積電阻率小的，其介電損耗就大。介質損耗對于用在高壓裝置、高頻設備，特別是用在高壓、高頻等地方的材料和器件具有特別重要的意義，介質損耗過大，不僅降低整機的性能，甚至會造成絕緣材料的熱擊穿。
3、Q值：tgd的倒數稱為品質因素，或稱Q值。Q值大，介電損失小，說明品質好。所以在選用電介質前，必須首先測定它們的e和tgd。而這兩者的測定是分不開的。
通常測量材料介電常數和介質損耗角正切的方法有二種：交流電橋法和Q表測量法，其中Q表測量法在測量時由于操作與計算比較簡便而廣泛采用。本實驗主要采用的是Q表測量法。
4、陶瓷介質損耗角正切及介電常數測試儀：它由穩壓電源、高頻信號發生器、定位電壓表CBl、Q值電壓表CB2、寬頻低阻分壓器以及標準可調電容器等組成(圖2)。工作原理如下：高頻信導發生器的輸出信號，通過低阻抗耦合線圈將信號饋送至寬頻低阻抗分壓器。輸出信號幅度的調節是通過控制振蕩器的簾柵極電壓來實現。當調節定位電壓表CBl指在定位線上時，Ri兩端得到約l0mV的電壓(Vi)。當Vi調節在一定數值(10mV)后，可以使測量Vc的電壓表CB2直接以Q值刻度，即可直接的讀出Q值，而不必計算。另外，電路中采用寬頻低阻分壓器的原因是：如果直接測量Vi必須增加大量電子組件才能測量出高頻低電壓信號，成本較高。若使用寬頻低阻分壓器后則可用普通電壓表達到同樣的目的。
經推導(1) 介電常數：
(1)
式中：C1—標準狀態下的電容量；
C2—樣品測試的電容量；
d—試樣的厚度(cm)；
Φ—試樣的直徑(cm)；
(2) 介質損耗角正切：
(2)
式中：Q1—標準狀態下的Q值；
Q2—樣品測試的Q值；
(3) Q值：
(3)
三、實驗儀器及設備
1、儀器設備：
(1) Q表測試儀、電感箱、樣品夾具等；
(2) 千分游標卡尺；
2、樣品要求：圓形片：厚度2±0.5mm，直徑為Φ38±1mm。
四、實驗步驟
1、本儀器適用于110V/220V，50Hz交流電，使用前要檢查電壓情況，以保證測試條件的穩定。
2、開機預熱15分鐘，使儀器恢復正常狀態后才能開始測試。
3、按部件標準制備好的測試樣品，兩面用特種鉛筆或導電銀漿涂覆，使樣品兩面都各自導電，但南面之間不能導通，備用。
4、選擇適當的輔助線圈插入電感接線柱。根據需要選擇振蕩器頻率，調節測試電路電容器使電路諧振。假定諧振時電容為C1，品質因素為Q1。
5、將被測樣品接在Cx接線柱上。
6、再調節測試電路電容器使電路諧振，這時電容為C2，可以直接讀出Q2。
7、用游標卡尺量出試樣的直徑Φ和厚度d(分別在不同位置測得兩個數據，再取其平均值)。
