Стекла – неорганические квазиамфорные вещества – представляют собой сложные системы различных оксидов. Кроме стеклообразующих оксидов, то есть таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2O2), в состав стёкол входят и другие оксиды: щелочные Na2O, K2O, щелочноземельные CaO, BaO, а также PbO, Al2O3 и др. Основу большинства стёкол составляют SiO2; такие стёкла называются силикатными.
Свойства стёкол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и режима тепловой обработки.
Стёкла имеют плотность, которая колеблется от 2 до 8,1 Мг/ м3. К тяжёлым стёклам принадлежат стёкла с высоким содержанием свинца (хрустали). Прочность стёкол на сжатие много больше, чем прочность на разрыв: предел прочности при сжатии составляет 6000 - 21000 МПа, при растяжении – 100 - 300 МПа.
Как амфорные вещества, стёкла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагреве вязкость стёкол уменьшается постепенно. Температура размягчения большинства стёкол находится в пределах от 400 до 1600 С. При внезапном нагреве или охлаждении снаружи предмета из стекла вследствие неравномерного распределения температур в наружном слое материала возникают механические (температурные) напряжения, которые могут явится причиной растрескивания стекла. При быстром нагреве поверхностный слой стекла стремиться расширится, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в них создается напряжение сжатия.
|
|
Обычно стёкла прозрачны для лучей видимой части спектра. Некоторые добавки предают стёклам определённую окраску.
Большинство технических стекол, благодаря содержанию примеси оксидов железа, сильно поглощают ультрафиолетовые лучи.
Электрические свойства, в весьма большой степени, зависят от их состава. Для различных технических стекол при нормальной температуре r = 106 ¸ 1015 Ом×м; e = 3,8 ¸ 16,2; tg d = 0,0002 ¸ 0,01. При воздействии на щелочное стекло постоянного напряжения происходит электролиз; при длительной выдержке стекла под достаточно большим напряжением, в особенности при повышенной температуре, когда проводимость стекла велика, у катода наблюдаются отложения металла (обычно натрия) в виде характерных ветвистых образований – дендритов.
Электрическая прочность стекла при электрическом пробое мало зависит от их состава. Решающее влияние на Епр оказывают воздушные включения – пузыри в толще стекла. При постоянном напряжении в однородном электрическом поле электрическая прочность весьма велика и достигает 500 МВ/м.
Рассмотрим схему установки:
Рис. 1.
На рисунке 1 представлена принципиальная схема установки измерения электропроводности твердых диэлектриков.
|
|
Основными частями являются:
Т1 , Т2 – устройства для регулирования испытательного напряжения (трансформаторы);
Д – выпрямитель тока (высоковольтный диод);
С – конденсатор;
V – вольтметр;
Rз – защитное сопротивление;
БК – блокировочное устройство;
1,2,3 – клеммы, к которым подключается образец.
Таблица №1 (Удельное объемное сопротивление и удельная объемная проводимость гетинакса)
Напряжение, кВ | Ток, нА | ||
1,00 | 18,6 | 1,90 | 5,26 |
1,50 | 30,9 | 2,10 | 4,76 |
2,00 | 36,9 | 1,88 | 5,32 |
2,50 | 58,1 | 2,37 | 4,22 |
3,00 | 67,6 | 2,30 | 4,35 |
Объемная проводимость и объемное сопротивление рассчитываются соответственно:
,
,
где I – ток, текущий через измерительный электрод,
U – приложенное напряжение,
h – толщина диэлектрика,
S – площадь измерительного электрода (S = pd2/4).
В опыте h = 2 мм, d = 5 см.
Вычисляя значение , равное 1,02, получим:
.
Таблица №2 (Удельное поверхностное сопротивление и удельная поверхностная проводимость гетинакса)
Напряжение, кВ | Ток, нА | ||
1,00 | 176,8 | 1,03 | 9,71 |
1,50 | 333,4 | 1,29 | 7,75 |
2,00 | 537,6 | 1,56 | 6,41 |
2,50 | 803,4 | 1,86 | 5,38 |
3,00 | 1154,2 | 2,23 | 4,48 |
,
,
где I – ток, текущий через измерительный электрод,
U – приложенное напряжение,
d1 – диаметр охранного кольца,
d – диаметр измерительного электрода.
В опыте d = 5,0 см, d1 = 7,2 см.
Вычислив , получим
Рис. 2.
Рис. 3.
Таблица №3
U = 1,5 кВ.
Температура | Ток, нА | ln gV | ||||
°C | К | |||||
34,1 | 48,3 | 3,22 | -24,2 | 0,311 | ||
33,6 | 49,2 | 3,28 | -24,1 | 0,305 | ||
50,6 | 3,37 | -24,1 | 0,297 | |||
32,5 | 52,6 | 3,51 | -24,1 | 0,285 | ||
31,9 | 56,2 | 3,75 | -24 | 0,267 | ||
31,4 | 62,3 | 4,15 | -23,9 | 0,241 | ||
69,2 | 4,61 | -23,8 | 0,217 | |||
30,5 | 79,6 | 5,31 | -23,7 | 0,188 | ||
94,8 | 6,32 | -23,5 | 0,158 | |||
29,6 | 119,3 | 7,95 | -23,3 | 0,126 | ||
29,2 | 153,8 | 10,3 | -23 | 0,097 | ||
28,7 | 211,9 | 14,1 | -22,7 | 0,071 | ||
28,3 | 307,9 | 20,5 | -22,3 | 0,049 | ||
27,9 | 495,8 | 33,1 | -21,8 | 0,03 | ||
27,5 | 803,2 | 53,5 | -21,3 | 0,019 | ||
27,2 | 105,3 | -20,7 | 0,009 |
Объемная проводимость и объемное сопротивление рассчитываются соответственно:
,
,
где I – ток, текущий через измерительный электрод,
U – приложенное напряжение.
Рис. 4.
Изобразим зависимость ln(gV) от 104/Т.
Определим энергию активации выше точки излома и ниже ее.
,
где k – постоянная Больцмана (k = 0,864×10-4 эВ/град)
t – температура в град.
Ниже излома:
t2 = 20 °С
t1 = 60 °С
эВ
Выше излома:
t2 = 60 °С
t1 = 95 °С
эВ
Выводы:
В лабораторной работе была изучена зависимость объемного сопротивления и объемной проводимости диэлектрика от напряженности электрического поля и от температуры окружающей среды. Было так же проведено исследование полевой зависимости поверхностной проводимости и поверхностного сопротивления гетинакса. Из рисунка 2 и рисунка 3 видно, что проявляется некоторое отклонение от закона Ома, согласно которому проводимости и сопротивления (как поверхностные, так и объемные) постоянны. Это произошло в результате случайных и приборных погрешностей. Так же несоответствие с теорией является то, что объемная проводимость гетинакса оказалась выше, чем поверхностная (поверхностное сопротивление - больше, чем объемное). Очевидно, его поверхность была загрязнена, то есть покрыта пленкой, сопротивление которой оказалось выше сопротивления гетинакса.
На рисунке 4 изображена зависимость lng от 1/Т. На графике наблюдается излом. При температуре выше точки излома электропроводность определяется в основном собственной проводимостью, а ниже – концентрацией и типом примеси. То есть стекло, зависимость электропроводности которого рассматривали, содержит в себе ряд примесей.