Электропроводность твёрдых диэлектриков.
СТЕКЛА.
Стекла — неорганические квазиаморфные вещества — представляют собой сложные системы различных оксидов. Кроме стеклоообразующих оксидов, т. е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2C3, в состав стекол входят и другие оксиды: щелочные Na2O, K2O, щелочноземельные CaO, BаO, а также PbO, Al2O3 и др. Основу большинства стекол составляет SiO2; такие стекла называются силикатными.
СВОЙСТВА СТЕКОЛ:
Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и режима тепловой обработки.
Плотность. Стекла имеют плотность, которая колеблется от 2 до 8,1 Мг/м3. К тяжелым стеклам принадлежат стекла с высоким содержанием свинца (хрустали, флинты). Плотность обычных силикатных стекол (например, оконного стекла) близка к 2,5 Мг/м.
Механические свойства. Прочность стекол на сжатие много больше, чем прочность на разрыв: предел прочности при сжатия составляет 6000—21 000 МПа, при растяжении — 100—300 MПa.
Тепловые свойства. Как аморфные вещества, стекла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагреве вязкость стекол уменьшается постепенно; за температуру размягчения стекла принимается температура, при которой вязкость его составляет 107—108 Па·с. Температуры размягчения большинства стекол находятся в пределах от 400 до 1600 0C; последнее значение соответствует кварцевому стеклу (состава 100 % SiO2). Добавки к SiO2, в частности щелочные оксиды, понижают температуру размягчения. Значение al стекол различного состава изменяется в пределах от 0,55-10-6 К-1 (это значение также относится к кварцевому стеклу) до 15×10-6 К-1; al играет большую роль в оценке стойкости стекол к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном нагреве или охлаждении снаружи предмета из стекла (или другого хрупкого материала) вследствие неравномерного распределения температур в наружном слое материала возникают механические (температурные) напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания стекла. При быстром нагреве поверхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в них создаются напряжения сжатия. Если же имеет место внезапное охлаждение поверхности стекла, то вследствие теплового сокращения поверхностного слоя создается тенденция к отрыву друг от друга соседних участков этого слоя. Так как у стекол прочность при растяжении много меньше, чем прочность при сжатии (см. выше), то внезапное внешнее охлаждение более опасно, чем внезапный нагрев.
Сравнительная стойкость к термоударам изделий из стекла различного состава при одной и той же толщине приближенно оценивается величиной
где sp—предел прочности при растяжении; al —температурный коэффициент линейного расширения; E —модуль упругости; gт — коэффициент теплопроводности; с—удельная теплоемкость; r — плотность стекла.
Из всех величин, входящих в правую часть этой формулы, именно al меняется для стекол различного состава в наиболее широких пределах и имеет основное практическое значение для оценки стойкости стекла к термоударам. Тонкостенные изделия из стекла данного состава значительно более стойки к термоударам, чем толстостенные.
Температурный коэффициент линейного расширения стекол играет важную роль при спайке и сварке друг с другом различных стекол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло, при нанесении стеклоэмали на ту или иную поверхность. Необходимо подбирать значения al стекла и соединяемых с ним материалов приблизительно одинаковыми, иначе при смене температур может произойти и растрескивание стекла, нарушение герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Применяемые в практике названия стекла «вольфрамовое» и «молибденовое» объясняются не составом их, а тем, что значения al этих стекол близки к al вольфрама и соответственно молибдена, что весьма важно для электровакуумной техники.
Оптические свойства. Обычные стекла прозрачны для лучей видимой части спектра. Некоторые добавки придают стеклам определенную окраску (CoO—синюю, Cr2O3—зеленую, UO2—желтую), что используется при получении цветных стекол, эмалей и глазурей.
Большинство технических стекол, благодаря содержанию примеси оксидов железа, сильно поглощают ультрафиолетовые лучи. Увиолевые стекла, содержащие менее 0,02 % Fe2O3, обладают прозрачностью для ультрафиолетовых лучей; весьма хорошо пропускает эти лучи кварцевое стекло, которое применяется в специальных «кварцевых» лампах, дающих ультрафиолетовое излучение.
Показатель преломления n различных стекол колеблется от 1,47 до 1,96; высокие значения n имеют тяжелые свинцовые стекла — хрустали.
Стекла, в состав которых входят элементы с малой атомной массой, весьма прозрачны для рентгеновских лучей; таково, например, специальное стекло, имеющее состав 83 % B2O3, 2,5 % BeO и 14,5 % Li2O; это стекло нестойко к действию плат и должно покрываться лаком; из него изготовляют «окошки» в рентгеновских трубках, сквозь которые рентгеновские лучи выходят из трубки наружу. Напротив, стекла с большим содержанием свинца сильно поглощают рентгеновские лучи.
Гидролитическая стойкость. Стойкость к действию влаги оценивается массой составных частей стекла, переходящей в раствор с единицы поверхности стекла при длительном соприкосновении его с водой; растворимость стекла увеличивается при возрастании температуры. Стекла с низкой гидролитической стойкостью обладают малым поверхностным удельным сопротивлением в условиях влажной среды. Наивысшей гидролитической стойкостью обладает кварцевое стекло; гидролитическая стойкость сильно уменьшается при введении в стекло щелочных оксидов.
Стекла состава Na2O-m SiO2 (реже K2O-mSiO2) с силикатным модулем т от 1,5 до 4,2 являются растворимыми стеклами; при повышенном давлении и температуре они растворяются в воде, образуя вязкие клейкие растворы щелочной реакции; такой раствор концентрации 30—50 % с плотностью 1,27—1,92 Мг/м3 называется жидким стеклом.
Силикатные стекла практически стойки к действию кислот, за исключением лишь плавиковой кислоты HF, но малостойки к щелочам. Специальные типы стекол с высоким содержанием B2O3 и AI2O3 стойки к парам натрия, что важно для некоторых электроосветительных приборов.
Электрические свойства в весьма большой степени зависят от их состава. Для различных технических стекол при нормальной температуре r == 106-1О15 om×m; er = 3,8-16,2; tg d = 0,0002-0,01.
Для кварцевого стекла при 20 0C er
= 3,8 и tg d = 0,0002; r
при 200 0C составляет примерно 1015 om×m.
Сильно уменьшает r и rs
введение в стекло оксидов щелочных металлов; наличие имеющих меньший размер
ионов натрия более вредно, чем наличие ионов калия (рис. 6-33). При воздействии
на щелочное стекло постоянного напряжения происходит электролиз, который
благодаря прозрачности 
стекла можно наблюдать непосредственно: 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.
Стекла с большим содержанием щелочных оксидов при отсутствии или при малом содержании оксидов тяжелых металлов имеют значительный tg d, который при повышении температуры заметно возрастает. Одновременное присутствие в составе стекла двух различных щелочных оксидов увеличивает r и уменьшает tg d по сравнению со стеклом, содержащим только один щелочной оксид (явление называется нейтрализационным или полищелочным эффектом, см. рис. 6-34). Стекла, содержащие в больших количествах тяжелые оксиды металлов (PbO, BaO), имеют низкий tg d даже при наличии в их составе щелочных оксидов.
Содержание щелочных оксидов (N2O в большей степени, чем K2O) повышает e, силикатных стекол (рис. 6-35). Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ae. различных технических стекол находится в пределах от +30×10-6 до +500×1O-6 К-1.
Поверхностная проводимость сильно зависит от состояния поверхности стекла, возрастая при ее загрязнении. При повышенной влажности окружающей среды поверхностная проводимость также возрастает, особенно у стекол, обладающих низкой гидролитической стойкостью (см. выше).
Электрическая прочность стекол 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 стекла весьма велика и достигает 500 МВ/м, При высоких частотах (а при высоких температурах - и при низких частотах и даже при постоянном напряжении) пробой стекла имеет электротепловой характер.