Электрические свойства стекла

К группе электрических свойств относятся электропроводность и диэлектрические свойства. В зависимости от состава и от температуры окружающей среды стекла могут быть изоляторами, полупроводниками и проводниками тока. Стекла применяют для изготовления изоляторов, газоразрядных и электровакуумных приборов, рентгеновских трубок, баллонов и ножек осветительных и электронных ламп и других приборов.

Электропроводность характеризует особенность материала проводить электрический ток. При обычных условиях стекло является изолятором. При повышении температуры электропроводность стекол возрастает и достигает у стекломассы величин 10^-2–10^-1 Ом^-1·см^-1. Электрический ток в стеклах переносится главным образом подвижными щелочными ионами, поэтому увеличение содержания щелочных оксидов приводит к увеличению электропроводности стекол, а увеличение содержания оксидов SiO₂, ZrO, B₂O₃, Al₂O₃ – к ее уменьшению. По диэлектрическим свойствам силикатные стекла при температурах ниже t_g принадлежат к классу диэлектриков. Они имеют низкие значения диэлектрической проницаемости и невысокие диэлектрические потери.

Диэлектрическая проницаемость количественно характеризует поляризацию диэлектрика, практически ее определяют по изменению емкости вакуумного конденсатора при помещении исследуемого диэлектрика между его пластинами, т.е.

ε = С_х/С₀,

где С_х – емкость конденсатора с диэлектриком;

С₀ – емкость вакуумного конденсатора.

Диэлектрическая проницаемость стекол зависит от их состава и изменяется для силикатных стекол в пределах от 3,81 (кварцевое стекло) до 16,2 (стекла с содержанием оксидов тяжелых металлов до 80%).

Диэлектрические потери характеризуют долю энергии электрического поля в объеме диэлектрика, превратившуюся в тепловую. Диэлектрические потери стекол складываются из потерь проводимости, релаксационных, деформационных и резонансных потерь. В ряду силикатных стекол наиболее низкие диэлектрические потери характерны для кварцевого стекла: tgδ при 20 ºС и частоте 10⁶ Гц равен 0,0001, натриевосиликатное стекло при 10³ Гц имеет tgδ = 0,1000, т.е. на четыре порядка больше.

Оптические свойства стекла

К оптическим постоянным стекол относят показатель преломления, дисперсию и коэффициент дисперсии.

Показатель преломления характеризует изменение скорости распространения света в веществе (С_х) по сравнению с вакуумом (С₀), т.е. n= С₀/С_х. Показатель преломления может быть также определен как отношение синуса углов, образуемых лучом света с нормалью к поверхности раздела между средами (рис.5.). Поскольку показатель преломления зависит от длины волны света, то основными показателями преломления, используемыми при расчетах оптических систем, были выбраны n_c, n_f, n_d для длин волн λ_с= 656,3; λ_f = 486 и λ_d = 589,3 нм.

Рис.5. Путь луча при прохождении через плоскополяризованную стеклянную пластину: I₀ – интенсивность падающего луча, I₁, I₂, I₃ – интенсивность отраженного, поглощенного и пропущенного лучей соответственно; i₁, i₂, i – углы падения, отражения преломления; (1) – воздух (или вакуум); (2) – стекло.

Дисперсия характеризует зависимость показателя преломления от длины волны падающего луча. Средняя дисперсия равна разности показателей преломления для крайних длин волн, т.е. n_f - n_c. Частной дисперсией называется разность показателей преломления средней и одной из крайних длин волн (n_f - n_d и n_d - n_c). Коэффициент дисперсии определяется как соотношение n_d - 1/ n_{f ­}- n_c.

К важнейшим оптическим свойствам стекла также относятся коэффициенты пропускания, отражения и поглощения, определяющие, соответственно, какую долю падающего света пропустит, отразит и поглотит стекло.

По оптическим свойствам, а именно по высокому светопропусканию в видимой области спектра (до 90%), по величине показателя преломления, изменяющегося в пределах от 1,3 до 2,2, средней дисперсии (0,0055–0,0300) и коэффициенту дисперсии (25-100), стекло не имеет себе равных среди известных твердых материалов. Это обусловлено применение стекла во многих областях науки, техники и повседневной жизни: остекление зданий, транспорта, изготовление различных оптических приборов, зеркал, посуды и т.п.