Стёкла

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 Е_пр 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;

R_з – 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(g_V) 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.