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玻璃的介電常數(shù)
 發(fā)布時(shí)間:2015年07月28日 瀏覽:18894

介電常數(shù)分絕對(duì)介電常數(shù)(ε)和相對(duì)介電常數(shù)(εr)。絕對(duì)介電常數(shù)是電流密度D與電場(chǎng)強(qiáng)度E之比,法定計(jì)量單位法拉/米,符號(hào)為F/m。相對(duì)介電常數(shù)εr是絕對(duì)介電常數(shù)ε與真空介電常數(shù)ε0之比,也可以用電容器兩極間充有該電介質(zhì)時(shí)的電容量(Cx)與其間為真空時(shí)的電容量(C0)之比來(lái)確定,如式(4-49)所示。

εr=Cx/C0——①

根據(jù)電學(xué)理論,εr與電介質(zhì)極化度α有如下關(guān)系:

εr=1+4πα——②

式中α——介質(zhì)極化率,在真空中α=0,ε=1,因此介質(zhì)的極化度越大,其ε越大。

玻璃的極化包括:

1、  電子位移極化:離子或原子中的電子云在外電場(chǎng)作用下發(fā)生變形,從而發(fā)生偶極矩的改變;

2、  離子位移極化:在外電場(chǎng)作用下,正、負(fù)離子偏離原有位置,做相對(duì)位移時(shí)所產(chǎn)生偶極矩的變動(dòng);

3、  取向極化:由玻璃中極性分子在外電場(chǎng)作用下定向排列而引起的。

二元堿金屬硅酸鹽玻璃在4.5×108Hz及室溫下的介電常數(shù)ε

無(wú)機(jī)玻璃的εr一般介于4~20.作為高頻絕緣材料,特別是用于高壓絕緣時(shí),εr要;作用電容器時(shí),則要求εr要大,尤其是制造小型電容器時(shí)。影響εr的因素主要是玻璃的化學(xué)成分、溫度和電場(chǎng)頻率。

玻璃的介電常數(shù)與其化學(xué)成分的關(guān)系可從離子極化率和遷移率的大小來(lái)考慮。在石英玻璃和純硼氧玻璃中,Si4+的極化率比B3+大,且B-O鍵能也比Si-O鍵能打,故石英玻璃中的橋氧離子的極化率也比B2O3玻璃中的橋氧離子大,所以石英玻璃的εr=3.75大于B2O3玻璃的εr=3.20.

在石英玻璃中加入堿金屬氧化物,使玻璃中出現(xiàn)了較易極化的非橋氧離子,從而增大了介電常數(shù),圖4-29表示出二元堿金屬硅酸鹽玻璃介電常數(shù)的變化,從圖中可看出,在堿含量相同時(shí)隨著陽(yáng)離子半徑的增大,場(chǎng)強(qiáng)的減小,與非橋氧結(jié)合的降低,介電常數(shù)按Li2ONa2OK2O的順序增大。

引入其它成分對(duì)介電常數(shù)的影響與上述類(lèi)似,對(duì)于堿土金屬也是陽(yáng)離子的場(chǎng)強(qiáng)減小時(shí)介電常數(shù)增大。副主元素本身的極化率也在介電常數(shù)上表現(xiàn)出來(lái),例如將PbO引入玻璃中時(shí),介電常數(shù)可超過(guò)10.二元堿金屬硼酸鹽玻璃的情況與堿金屬硅酸鹽玻璃的情況類(lèi)似。

溫度升高會(huì)增大陽(yáng)離子的遷移率,從而使介電常數(shù)增加很大。玻璃在100℃以下時(shí),εr變動(dòng)不大,從20~100℃時(shí)εr平均增加3%~10%,但當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí),εr迅速增大,如圖4-40所示。玻璃中R2O含量越大,則εr迅速增大時(shí)的溫度越低。PbO也有同樣的作用。

Na2O-CaO-SiO2玻璃的介電常數(shù)與溫度及頻率的關(guān)系圖

介電常數(shù)還與測(cè)定的頻率有關(guān)。外電場(chǎng)頻率越低,εr越大,隨著頻率的增高,電子云變形發(fā)生困難,使εr減小,如圖4-41所示。頻率越低,在玻璃溫度升高過(guò)程中εr迅速變大的溫度也越低。在低溫時(shí),頻率的影響較在高溫時(shí)為小,這是由于在高溫時(shí)離子和偶極子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),導(dǎo)致介質(zhì)極化增大的結(jié)果。

不同頻率下玻璃的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系圖

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