玻璃工艺9玻璃的电磁学性质

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 玻璃的电学、磁学性质,electric&magnetic property,一、玻璃的导电性,常温玻璃为绝缘体，,T,Tg,后导电性提高很快，熔融时为良导体。,1.,描述导电性的参数,（,1,）电导,K,（,通过电流的能力）,K=XS/L X,为电导率,体积电导,表面电导,（,2,）电阻率,（,阻碍电流的能力）,体积电阻,=1/X,电阻,R=1/K,表面电阻,的单位：欧姆,米,二、导电机理,1.,离子导电,（大多数硅酸盐玻璃）,*,以离子为载电体。有,移动性,的载电离子在,外加电场,的作用下发生,定向移动,，,贯穿,整个玻璃体即表现为导电性。,*,载电离子以能动度最高的阳离子为主。（,Na,+,K,+,）,在能动度相差较大时，几乎完全由能动度最大的离子承担,*,外加电场 只有它存在时离子才会定向移动。,离子从右向左迁移较易。,+1/2,bqE,1/2,bqE,b,W,E,2.,电子导电,（,1,）表面电子导电,*,含,Pb,、,Bi,的玻璃在,H,2,中还原成胶态导电膜。,*,镀膜 金属、氧化物膜（,Au Pt SnO,2,）,（,2,）,体积电子导电,在硅、硼酸盐中加入,Fe,Mn,等变价物质,或磷酸盐加入,V,。,变价离子部分电子未被束缚，易激发成自由电子而导电。,三、影响电导率的因素,1.,组成,（,1,）,R,2,O,a.,迁移性好，对电导率影响最大。,Na,+,Li,+,K,+,如：石英玻璃中加入,0.04,ppm,的,Na,+,时,电阻由10,17,降为10,13,欧姆/厘米,b.,混合碱效应,K,2,O:Na,2,O=4:1,电阻最大,T,升高效应减弱,加入第三种碱，效应更明显。,Fe,2,O,3,的影响,2%6%,影响小,6%12%,使效应减弱,（,wt%,）,12%16%,效应消失,（,2,）,RO,a.,无碱玻璃中参与导电,b.,普通玻璃中因压制效应使电阻增大，随半径增大而明,显。,Ba,2+,Pb,2+,Sr,2+,Ca,2+,Zn,2+,Mg,2+,Be,2+,（,3,）,R,2,O,3,a.B,2,O,3,使电阻增大,b.Al,2,O,3,反常,R,2,O-,SiO,2,中以,Al,2,O,3,代,SiO,2,量少时为,AlO,4,，,体积大，扩散迁移易，电阻减小。,量大时为,AlO,6,，,在网络空隙中，电阻增大。,2.,温度的影响,（,1,）低温,lg,=A+B/T,A=log3kT/n,0,q,2,2,B=/k loge,n,0,-,单位体积离子数,q-,离子电荷 ,-,能量势垒,-,活化能 ,-,离子振动频率,一般,A=1.5(-4.5)B=30006000,（,2,）高温,log,=a+,bT,+cT,2,b,常为负值且绝对值远大于,c,T,升高，参与导电的离子,数目,、,种类,增多且,振动频率,加快，迁移速度加快。,（,3,）,T,k,-100,指标,定义：电阻率达到,100,兆欧,厘米时的温度。,T,k,-100,越高绝缘性越好。,K,2,O,比,Na,2,O,更可提高,T,k,-100,PbO,BaO,CaO,MgO,ZnO,Al,2,O,3,使,T,k,-100,减小，,B,2,O,3,可使,T,k,-100,增大。,3.,热处理的影响,（,1,）离子导电玻璃 快冷,慢冷 可能与自由程有关。,（,2,）分相 连通相组成有关。,（,3,）玻璃应力 应力存在使,减小。,四、玻璃的表面电导,1.,意义：表面电导是将一边长为,1,cm,的正方形面积，在其,边测得的值。单位：欧姆,-1,2.,影响因素,（,1,）温度,100,C,后 两种导电基本一致。,（2）湿度,水气侵蚀玻璃后为一层碱溶液膜，导电性较,强。,大气对玻璃侵蚀越强，表面电阻率越小。,（,3,）组成,a.R,2,O,含量增多,s,减小。,K,2,O,作用明显,b.,CaO,、,MgO,、,BaO,、,PbO,、,Al,2,O,3,等取代,Na,2,O-SiO,2,中的,SiO,2,，使,s,增大。,c.B,2,O,3,Fe,2,O,3,代,Na,2,O-SiO,2,中的,SiO,2,（,20%,）使,s,增大。,3.,s,的计算,s,=,s,100,e,k(1,h),s100,相对湿度为,100%,时表面电阻率,h,相对湿度,4.,改变,s,的方法,表面涂层（,1,）憎水层使,s,增大,（,2,）金属、半导体膜使,s,减小,五、玻璃的介电损耗,dielectric loss,1.,介电损耗,Q,定义：玻璃在电场作用下，由于极化或吸收而使一部分,电能转变为热能,而损失的现象。,Q=,UIcos,为,UI,间相位角,理想状态,=90,，,Q=0,实际,0,令,=90,则,Q=,UIsin,常用,或,tg,表示介电损耗。,tg,为绝缘体无效消耗与有效输入能量比。,电导率越大介电损耗越大,。,2.,损失种类,（,1,）电导损失 由网络外体离子沿电场方向移动而产生,（,2,）松弛损失 由,M,离子在一定势垒间移动产生,（,3,）结构损失 由玻璃网络松弛变形产生，属松弛损失,（,4,）共振损失 由,M,离子或网络骨架本征振动吸收能量,而产生,3.,影响因素,温度升高,Q,增大,R,2,O,使,Q,增大,RO,使,Q,减小,六、玻璃的介电常数,dielectric constant,1.,电介质,主要以,电磁感应,形式而不是以电子的传输来反映电,的作用和影响的媒质。,2.,介电常数,（,1,）,=C/C,0,在电容器的两极板间加入电介质后的电容与在真空下的电容之比。表征了物质在电场作用下,极化程度,的大小。,与极化度,a,的关系,=1+4a,真空,a=0,（,2,）,玻璃的极化,a.,电子位移极化 离子或电子云在外电场作用下变形而,产生偶极矩的变动。,b.,离子位移极化 正负离子在外电场下偏离原有位置而,产生偶极矩的变动,c.,取向极化 玻璃中极性分子在电场作用下定向排,列引起偶极矩的变动,3.,影响,的因素,（,1,）组成,PbO,、,BaO,含量高的玻璃,大,R,2,O,使,增大，重金属影响最大。,（,2,）温度,温度升高,增大,低温（,250,C,后,迅速增大（此界限与,R,2,O,和,PbO,的含量有关，量越多温度越低）,（,3,）电场频率,频率越低,越大，随温度变化界限越低。,低温时频率影响小。,2.,击穿机理,（,1,）热击穿 因电压作用，玻璃受热电阻下降，玻璃,发生局部热破坏甚至熔化。,试样越,厚,击穿强度越,低,。,（,2,）电子击穿 电压加速电子对其它原子冲击，激发,出更多自由电子参与导电。,七、玻璃的介电强度（抗击穿强度）,dielectric strength,1.,定义,：作为绝缘体使用的介质，当外加电压超过某一,临界值时绝缘性消失，即电击穿。临界电压为介电强度,（,1,）组成,SiO,2,使介电强度增大（透明石英为,400,千伏,/,厘米）,R,2,O,使介电强度减小（厚,26,cm,的工业玻璃为,3070,kv,/cm,(,2),温度、电压增加速度、内部缺陷、电场均匀与否等均,影响介电强度。,3.,影响因素,（,3,）电化学击穿 电场中组成被破坏，发生化学变化，使玻璃中的电场变的不均匀甚至产 生破裂的应力而被击穿。,010,6,为弱磁性,0,为顺磁性,对于,铁磁性,物质，,I,与,H,不,是直线关系。,八、玻璃的磁学性质,多数玻璃为弱磁性，含铁磁性晶体（,Fe,2,O,3,、,MnFeO,4,、,BaO6Fe,2,O,3,、,LiFe,5,O,8,）的玻璃具有强磁性,I =H,磁感应强度 磁化率 磁场强度,含有过渡金属离子和稀土金属 离子的氧化物玻璃一般有磁性,添加钇、镝、钬和铥等离子的磷酸盐、硼酸盐或氟化物玻璃，在室温下具有强磁性。,若玻璃中添加铈、铕、镨或铽等稀土离子，可制得法拉第磁光玻璃。,磁光玻璃又称旋光玻璃,，是在磁场的作用下，能够使通过玻璃的光的偏振面发生偏转或产生双折射现象的玻璃。这种玻璃一般含有铊、铅、碲、铽等，可用来做偏光或检偏光元件、光开关、光隔离器等。,思考题,：为何,Li,2,O,和,K,2,O,对电阻率的影响几乎,相等,？,