7-玻璃的电学、磁学性质解析

1、第第7章章 玻璃的电学、磁学性质玻璃的电学、磁学性质一、玻璃的导电性一、玻璃的导电性常温绝缘体，常温绝缘体，TTg导电性提高很快，熔融良导体。导电性提高很快，熔融良导体。 1.描述导电性的参数描述导电性的参数（1）电导）电导K（通过电流的能力）（通过电流的能力） K=XS/L X为电导率为电导率体积电导体积电导表面电导表面电导（2）电阻率）电阻率（阻碍电流的能力）（阻碍电流的能力）=1/X 电阻电阻R=1/K的单位：欧姆的单位：欧姆 米米体积电阻体积电阻表面电阻表面电阻二、导电机理二、导电机理1.离子导电（大多数硅酸盐玻璃）离子导电（大多数硅酸盐玻璃）* 以离子为载电体。有以离子为载电体。有移

2、动性移动性的载电离子在的载电离子在外加电外加电场场的作用下发生的作用下发生定向移动定向移动，贯穿贯穿整个玻璃体即表整个玻璃体即表现为导电性。现为导电性。* 载电离子载电离子（Na+ K+）能动度相差较大时，能动度相差较大时，由能动度最大的离子承担由能动度最大的离子承担* 外加电场外加电场 存在存在 定向移动。定向移动。+1/2bqE1/2bqEbWE2.电子导电电子导电（1）表面电子导电）表面电子导电 （2）体积电子导电）体积电子导电三、影响电导率的因素三、影响电导率的因素1.组成组成（1）R2Oa. 迁移性好，对电导率影响最大。迁移性好，对电导率影响最大。 Na+Li+K+如：石英玻璃加如：

3、石英玻璃加0.04ppm的的Na+时时 由由1017降为降为1013欧姆欧姆/厘米厘米b.混合碱效应混合碱效应K2O:Na2O = 4:1 电阻最大电阻最大T 效应减弱效应减弱加入第三种碱，效应明显。加入第三种碱，效应明显。Fe2O3的影响的影响 2%6%影响小影响小 6%12%使效应减弱使效应减弱 （wt%） 12%16%效应消失效应消失（2）ROa. 无碱玻璃中参与导电无碱玻璃中参与导电b. 普通玻璃中使电阻增大普通玻璃中使电阻增大(压制效应压制效应) Ba2+Pb2+Sr2+Ca2+Zn2+Mg2+Be2+（3）R2O3a. B2O3使电阻增大使电阻增大b. Al2O3反常反常 量少量少

4、 AlO4，电阻减小。，电阻减小。量大量大 AlO6，在网络空隙中，电阻增大。，在网络空隙中，电阻增大。2. 温度的影响温度的影响（1）低温）低温 lg =A+B/T A=log3kT/n0q2 2 B= /k logen0-单位体积离子数单位体积离子数 q-离子电荷离子电荷 -能量势垒能量势垒 -活化能活化能 -离子振动频率离子振动频率一般一般A=1.5(- 4.5) B=30006000（2）高温）高温 log =a+bT+cT2 b常为负值且绝对值远大于常为负值且绝对值远大于cT升高，参与导电的离子升高，参与导电的离子数目数目、种类种类增多且增多且振动振动频率频率加快，迁移速度加快。加快

5、，迁移速度加快。（3）Tk-100指标指标定义：定义：电阻率电阻率达到达到100兆欧兆欧 厘米时的温度。厘米时的温度。 Tk-100越高绝缘性越好。越高绝缘性越好。 K2ONa2O PbOBaOCaOMgOZnO Al2O3使使Tk-100减小，减小，B2O3可使可使Tk-100增大。增大。3.热处理的影响热处理的影响（1）离子导电玻璃）离子导电玻璃 快冷快冷 慢冷慢冷 （2）分相）分相 连通相组成有关。连通相组成有关。（3）玻璃应力）玻璃应力 应力使应力使 减小。减小。四、玻璃的表面电导四、玻璃的表面电导1.意义：表面电导是将一边长为意义：表面电导是将一边长为1cm的正方形面积，的正方形面积

6、，在其边测得的值。在其边测得的值。 单位：欧姆单位：欧姆 -12.影响因素影响因素（1）温度）温度 100 C 两种导电基本一致。两种导电基本一致。（2）湿度）湿度 大气对玻璃侵蚀越强，表面电阻率越小。大气对玻璃侵蚀越强，表面电阻率越小。（3）组成）组成a. R2O 含量增多含量增多 s减小。减小。 K2O作用明显作用明显b. CaO、MgO、BaO、PbO、Al2O3等取代等取代Na2O-SiO2中的中的SiO2 ，使，使 s增大。增大。c. B2O3 Fe2O3代代Na2O-SiO2中的中的SiO2（20%）使）使 s增大。增大。4.改变改变 s的方法的方法表面涂层（表面涂层（1）憎水层使

7、）憎水层使 s增大增大 （2）金属、半导体膜使）金属、半导体膜使 s减小减小3. s的计算的计算 s= s100ek(1h) s100相对湿度为相对湿度为100%时表面电阻率时表面电阻率 h相对湿度相对湿度五、玻璃的介电损耗五、玻璃的介电损耗dielectric loss1.介电损耗介电损耗Q 定义：玻璃在电场作用下，由于极化或吸收而使定义：玻璃在电场作用下，由于极化或吸收而使一部分一部分电能转变为热能电能转变为热能而损失的现象。而损失的现象。 Q=UIcos 为为UI间相位角间相位角令令= 90 则则Q=UIsin 常用常用或或tg 表示介电损耗。表示介电损耗。电导率越大介电损耗越大电导率越

8、大介电损耗越大。2.损失种类损失种类（1）电导损失）电导损失 （2）松弛损失）松弛损失 （3）结构损失）结构损失（4）共振损失）共振损失3.影响因素影响因素 T Q R2O使使Q增大增大 RO使使Q减小减小由由M沿电场方向移动而产生沿电场方向移动而产生由由M离子在一定势垒间移动产生离子在一定势垒间移动产生由玻璃网络松弛变形产生，由玻璃网络松弛变形产生，属松弛损失属松弛损失由由M离子或网络骨架本征振动离子或网络骨架本征振动吸收能量而产生吸收能量而产生六、玻璃的介电常数六、玻璃的介电常数dielectric constant1.电介质电介质 主要以主要以电磁感应电磁感应形式而不是以电子的传输来形式

9、而不是以电子的传输来反映电的作用和影响的媒质。反映电的作用和影响的媒质。2.介电常数介电常数（1） =C/C0 表征了物质在电场作用下表征了物质在电场作用下极化程度极化程度的大小。的大小。 =1+4a 真空真空a=0（2）玻璃的极化玻璃的极化a. 电子位移极化电子位移极化 b. 离子位移极化离子位移极化 c. 取向极化取向极化 离子或电子云在外电场作用下离子或电子云在外电场作用下变形而产生偶极矩的变动。变形而产生偶极矩的变动。正负离子在外电场下偏离原有正负离子在外电场下偏离原有位置而产生偶极矩的变动位置而产生偶极矩的变动玻璃中极性分子在电场作用下玻璃中极性分子在电场作用下定向排定向排 列引起偶

10、极矩的变动列引起偶极矩的变动3. 影响影响的因素的因素（1）组成）组成PbO、BaO含量高的玻璃含量高的玻璃大大R2O使使增大，重金属影响最大。增大，重金属影响最大。（2）温度）温度T 低温（低温（250 C后后迅速增大（此界限与迅速增大（此界限与R2O和和PbO的含的含量有关，量越多温度越低）量有关，量越多温度越低）（3）电场频率）电场频率频率越低频率越低越大，随温度变化越大，随温度变化界限界限越低。越低。低温时频率影响小。低温时频率影响小。七、玻璃的介电强度（抗击穿强度）七、玻璃的介电强度（抗击穿强度）dielectric strength1. 定义定义：作为：作为绝缘体绝缘体使用的介质，

11、当外加电压超使用的介质，当外加电压超过某一临界值时绝缘性消失，即过某一临界值时绝缘性消失，即电击穿电击穿。临界电。临界电压为介电强度压为介电强度2. 击穿机理击穿机理（1）热击穿）热击穿 （2）电子击穿）电子击穿（3）电化学击穿）电化学击穿玻璃受热电阻下降，玻璃发生局玻璃受热电阻下降，玻璃发生局部热破坏甚至熔化。部热破坏甚至熔化。 试样越试样越厚厚击穿强度越击穿强度越低低。电压加速电子对其它原子冲击，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。激发出更多自由电子参与导电。发生化学变化，使玻璃中的电场发生化学变化，使玻璃中的电场变得不均匀甚至产生破裂的应力变得不均匀甚至产生破裂的应力而被击穿。而被击穿。3. 影响因素影响因素（1）组成）组成SiO2使介电强度增大使介电强度增大（透明石英为（透明石英为400千伏千伏/厘米）厘米）R2O使介电强度减小使介电强度减小（厚（厚26cm的工业玻璃为的工业玻璃为3070 kv/cm(2)温度、电压增加速度、内部缺陷、电场均匀与温度、电压增加速度、内部缺陷、电场均匀与否等否等八、玻璃的磁学性质八、玻璃的磁学性质含有过渡金属离子和稀土金属含有过渡金属离子和稀土金属 离子的氧化物一离子的氧化物一般有磁性。般有磁性。 多数玻璃为弱磁性，多数玻璃为弱磁性，含铁磁性晶体（含铁磁性