електричні властивості

При звичайних умовах скло - хороший діелек-трик і в якості електроізоляційного матеріалу на-ходить широке застосування в електротехнічній і ра-діоелектронной промисловості. В даний час на лініях електропередач широко використовують високо-вольтні ізолятори із загартованого скла. Разом з тим в електричному полі скло завжди виявляє деяку електропровідність.

Електропровідність. Електропровідність скла - його здатність пропускати електричний струм. Елек-тропроводность К, Ом-1, або сіменс (сим.) Назад про-пропорційна опору, т. Е.

Розрізняють два види електропровідності: поверхно-стную і об'ємну. Поверхнева електропровід-ність завжди вище об'ємної. Її причина криється в ад-сорбції вологи на поверхні скла і освіті на ній лужних силікатів з високою провідністю.

Питома електропровідність скла до і його питома-ве опір р характеризують відповідно про-провідність і опір 1 см3 скла. Питомий со-опір одно:

Р = 1 / x = RS / d, де S - площа електродів, a d - відстань між ними.

До вимірюється в Ом-1-м-1 (сім.-1); р-в Ом-м.

По механізму перенесення струму в речовинах розрізняють провідність іонну, електронну та змішану (елек-трон-іонну). Переважна кількість силікатних сте-кол мають іонну провідність, а саме, катіонну. Носіями заряду є головним чином іони лужних металів і в меншій мірі іони щелоч-ноземельних металів; катіони М3 + не приймають навчаючи-сті в перенесенні струму. У фторберіллатних і галоїдні - алюмофосфатного стеклах спостерігається аніонна провідність. Переносниками струму тут є Анио-ни F, С1. Електронна провідність характерна для безкисневих халькогенідних стекол і для оксидних стекол, що містять елементи змінної валентності: залізо, ванадій, молібден, марганець.

На електропровідність скла впливають його хімічний склад, температура, частота електрич-ного поля, стан поверхні скла, характер його термічної обробки (отжиг, гарт, кристалізується-ція).

Електропровідність стекол різного хімічного со-става при звичайній температурі становить Ю-18- Ю-8 Ом-1. Кварцові скло є ізолятором, і тільки присутність домішок може викликати возникно-вение в ньому провідності. Електропровідність скла зростає при збільшенні в його складі змісту ще-лочних іонів, і її значення залежить від радіуса щелоч-ного катіона; літієві скла характеризуються біль-ший провідність, ніж натрієві і калієві; іони літію в силу менших розмірів більш рухливі.

При одночасному введенні в скло двох лужних катіонів його електропровідність зменшується і при співвідношенні лужних оксидів, що дорівнює 1. 1, до-Стігала мінімального значення. Це явище носить на-звання ефекту нейтралізації.

Заміна в склі лужних іонів лужноземельних-ми призводить до зменшення його електропровідності, що найбільшою мірою проявляється при введенні круп-них катіонів (Ва2 + і Sr2 +). Силікатні скла, що містять катіони Mg2 + і Zn2 +, мають більшу елект-ропроводностью, ніж скла того ж основного складу, але містять катіони Са, Ва, РЬ. Введення скло - просвітників Si02 і В2О3 знижує електропровід-ність. Боратного скла - кращі діелектрики, ніж по-добние їм силікатні.

Електропровідність скла в дуже сильному ступені, залежить від його температури. З підвищенням температу-ри електропровідність зростає. Так, якщо при зви-ної температурі електропровідність віконного скла становить (10-1 - Ю-12) -му-1, то при температурі 1400-1450 ° С - (1,1-0,3) -102 Ом-1.

Залежність% = f (T) описується наступними рівнян-нениями:

Для твердих стекол lg н = а- (Ь / Т);

Для розплавів lg н = а- (b / Т2),

Де а і b - постійні величини, що залежать від складу скла; Т - температура скла, К.

На рис. 3.4 показано зміну питомої опору-лення скла в залежності від його температури,

Мірою температурної ус-тойчивости діелектриків прийнято вважати температу-ру Тц. 100, при якій питома-ве опір одно 10е Ом-м. Величина Гк-іоо для листового скла 147 ° С, для кварцового 600 ° С.

На провідність скла впливає частота додаток-го електричного поля. В поле змінного струму провідність стекол вище, ніж в поле постійного струму.

Низька хімічна устої-тична скла, забруднення його поверхні, освітньої-ня на ній гідратних пле-нок- все це різко збільшує провідність скла. Для усунення поверхневої провідності скла його обробляють гідрофобними речовинами, наприклад кремнийорганическими сполуками. Для підвищення провідності на поверхню скла наносять полупро-Водніково плівки, наприклад Sn02, товщиною 1-3 мкм.

Характер теплового минулого скла надає зна-ве вплив на його електричні властивості. Зака-лені скла мають вищу електропровід-ність, ніж відпалені. Пояснюється це тим, що в загартованих стеклах «заморожена» більш рихла струк-тура з ослабленими зв'язками, властива розплаву.

При кристалізації скла його електропровідність різко сни-жается. Тонкодисперсная об'ємна кристалізація, характерна для ситаллов, призводить до зниження електропровідності на неяк-до порядків. Шлакоситалл мають питомий об'ємний опираючись-ня 1014-1016 Ом-м і застосовуються у виробництві високовольтних ізоляторів.

Зниження електропровідності при кристалізації стекол ви-ни опиняються, по-перше, тим, що освіта кордонів розділу фаз стек-ло-кристал ускладнює переміщення іонів; крім того, виділяю-щіеся кристалічні фази мають, як правило, низьку проводь-ність.

Діелектричні властивості скла. Як вказувалося, скло є діелектриком. Відмітна особ-ність діелектріков- їх здатність тривалий час збереженні-нять наведене електричне поле внаслідок поляри-зації атомів, іонів.

Діелектричні властивості скла характеризують: діелектрична проникність (Е), діелектричні втрати і діелектрична міцність.

Діелектрична проникність (Е) - це відноси-кові величина, що показує, у скільки разів изме-вується ємність конденсатора при введенні між його обкладинками діелектрика в порівнянні з ємністю того ж конденсатора у вакуумі. Найменше значення Е має кварцове скло (£ = 3,7) і стеклообразний В2О3 (£ = 3,1-3,2).

Діелектрична проникність скла приблизи-кові пропорційна його щільності. Величина Е многосвінцових стекол дорівнює 16, а звичайних примушує-них стекол - 5-7. Вона зростає зі збільшенням в складі скла лужних і лужноземельних іонів і зменшенням Si02.

Кристалізація стекол зазвичай призводить до уменьше-нию Е через ущільнення структури і більш міцного за-кріплення іонів. Однак в Сіталл Е визначається ві-будинок і числом фаз, що складають ситалл, внаслідок чого Е може змінюватися від 4,5 до 2100. діелектричної-ська проникність шлакоситалла при частоті 1010 Гц становить 6,2-7.

Діелектричні втрати. Частина електричної енер-гии, яка при проходженні змінного струму через діелектрик втрачається, перетворюючись на теплоту, називає-ся діелектричними втратами.

Діелектричні втрати скла характеризуються значенням тан-Генса кута діелектричних втрат б, рівного (90 ° -<р), где ф — угол сдвига фаз между напряжением на электроизоляционном ма-териале и силой проходящего через него тока.

Хімічний склад скла впливає на його діелектрі-етичні втрати так само, як на електропровідність. Так, кварцове скло має дуже малі втрати (tgS = = 0,0002), а скла, що містять лужні і лужноземельні оксиди, - більш високі втрати (tg б = = 0,0090). Загартоване скло має діелектричні втрати в 2 рази більші, ніж відпалених скло.

Кристалізація скла зазвичай призводить до зниження-нию його діелектричних втрат, особливо в тому випадку, коли лужні іони входять до складу кристалічної фази. На діелектричні втрати стеклокрісталлічес - ких матеріалів в загальному вигляді впливають природа кристал-вих фаз, співвідношення їх обсягу з обсягом стек-ловідной фази, ступінь однорідності структури сітал - ла. Шлакоситалл мають tg 6 = 0,004-0,007 при частоті 1010 Гц.

Діелектрична міцність. Здатність діелектрі-ка витримувати дію високої напруги без раз-рушення і погіршення діелектричних властивостей називаючи-ється діелектричної міцністю. Напруга, при якому відбувається пробивання зразка скла, відне-Сінне до його товщині в місці пробою, називається про-бивні напругою. Його розмірність f / ЦР, кВ / м.

Для звичайних промислових стекол Unp становить 102 (160-640) кВ / м. Для кварцового скла ощ, 420Х ХЮ2 кВ / м. У нашій країні для виготовлення ізоляторів застосовують високоглиноземний малощелочное скло марки 13в з високою діелектричної міцністю.