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玻璃的介电常数
 发布时间:2015年07月28日 浏览:17143

介电常数分绝对介电常数(ε)和相对介电常数(εr)。绝对介电常数是电流密度D与电场强度E之比,法定计量单位法拉/米,符号为F/m。相对介电常数εr是绝对介电常数ε与真空介电常数ε0之比,也可以用电容器两极间充有该电介质时的电容量(Cx)与其间为真空时的电容量(C0)之比来确定,如式(4-49)所示。

εr=Cx/C0——①

根据电学理论,εr与电介质极化度α有如下关系:

εr=1+4πα——②

式中α——介质极化率,在真空中α=0,ε=1,因此介质的极化度越大,其ε越大。

玻璃的极化包括:

1、  电子位移极化:离子或原子中的电子云在外电场作用下发生变形,从而发生偶极矩的改变;

2、  离子位移极化:在外电场作用下,正、负离子偏离原有位置,做相对位移时所产生偶极矩的变动;

3、  取向极化:由玻璃中极性分子在外电场作用下定向排列而引起的。

二元碱金属硅酸盐玻璃在4.5×108Hz及室温下的介电常数ε

无机玻璃的εr一般介于4~20.作为高频绝缘材料,特别是用于高压绝缘时,εr要小;作用电容器时,则要求εr要大,尤其是制造小型电容器时。影响εr的因素主要是玻璃的化学成分、温度和电场频率。

玻璃的介电常数与其化学成分的关系可从离子极化率和迁移率的大小来考虑。在石英玻璃和纯硼氧玻璃中,Si4+的极化率比B3+大,且B-O键能也比Si-O键能打,故石英玻璃中的桥氧离子的极化率也比B2O3玻璃中的桥氧离子大,所以石英玻璃的εr=3.75大于B2O3玻璃的εr=3.20.

在石英玻璃中加入碱金属氧化物,使玻璃中出现了较易极化的非桥氧离子,从而增大了介电常数,图4-29表示出二元碱金属硅酸盐玻璃介电常数的变化,从图中可看出,在碱含量相同时随着阳离子半径的增大,场强的减小,与非桥氧结合的降低,介电常数按Li2ONa2OK2O的顺序增大。

引入其它成分对介电常数的影响与上述类似,对于碱土金属也是阳离子的场强减小时介电常数增大。副主元素本身的极化率也在介电常数上表现出来,例如将PbO引入玻璃中时,介电常数可超过10.二元碱金属硼酸盐玻璃的情况与碱金属硅酸盐玻璃的情况类似。

温度升高会增大阳离子的迁移率,从而使介电常数增加很大。玻璃在100℃以下时,εr变动不大,从20~100℃时εr平均增加3%~10%,但当温度进一步升高时,εr迅速增大,如图4-40所示。玻璃中R2O含量越大,则εr迅速增大时的温度越低。PbO也有同样的作用。

Na2O-CaO-SiO2玻璃的介电常数与温度及频率的关系图

介电常数还与测定的频率有关。外电场频率越低,εr越大,随着频率的增高,电子云变形发生困难,使εr减小,如图4-41所示。频率越低,在玻璃温度升高过程中εr迅速变大的温度也越低。在低温时,频率的影响较在高温时为小,这是由于在高温时离子和偶极子的热运动加强,导致介质极化增大的结果。

不同频率下玻璃的介电常数与温度的关系图

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