Электрические свойства стекла

Стекло в электрическом поле теряет свойства изоляционного материала, если напряженность поля превышает некоторое критическое значение, называемое пробивной напряженностью.

Пробой стекла вызывается электрическими, тепловыми и химическими процессами, возникающими в стекле под действием электрического поля.

Вероятность теплового пробоя повышается по мере увеличения частоты переменного напряжения, уменьшения теплоотвода, повышения температуры окружающей среды и снижения ТК-100 стекла.

Электрический пробой наблюдается преимущественно при малой толщине стекол и кратковременных нагрузках. Напротив, тепловой пробой характерен для толстостенных изделий в условиях плохого отвода теплоты.

В постоянном электрическом поле при комнатной температуре пробивная напряженность стекол колеблется в пределах 20 — 30 кВ/мм и значительно снижается с повышением температуры (особенно выше 150 — 200°С), а также с увеличением времени нарастания напряжения.

В переменном электрическом поле напряжение пробоя в 5 раз меньше, чем в постоянном. Это объясняется увеличением диэлектрических потерь, температуры стекла и повышением вероятности теплового пробоя (рис. 10.1).

Ввиду высокого электрического сопротивления внутренних поверхностей стеклянных оболочек вакуумных приборов на них может накапливаться большой статический заряд (например, за счет рассеянных электронов). В результате создаются большие электрические нагрузки, направленные перпендикулярно поверхности оболочки прибора, а это может привести к точечным пробоям. В таких случаях особую опасность представляет присутствие в стекле свилей и пузырьков воздуха.

В производстве некоторых ЭВП (например, рентге-ловских трубок) иногда желательно, чтобы поверхность стекла имела определенную электропроводность — для отвода рассеянных электронов и предотвращения концентрации электрического заряда. Снижение поверхностного сопротивления достигается введением в состав стекла оксидов висмута, свинца и сурьмы с последующим медленным нагревом его в водороде при 300 — 500°С. При этом происходит восстановление оксидов и образуется темный проводящий слой толщиной около 25 мкм, удельное поверхностное сопротивление которого при комнатной температуре в 1000 раз меньше сопротивления стекла и составляет 10⁸ Омсм.

Электрическая прочность (кВ/мм) определяется отношением наименьшего напряжения (7_Пр, при котором происходит пробой, к толщине стекла d в месте пробоя:

При работе приборов часто наблюдается растрескивание спаев стекла с металлом, обусловленное электролизом стекла. Электролизом называется направленное движение ионов (т. е. прохождение тока через вещество), сопровождающееся окислительно-восстановительными реакциями на электродах.

Для электролиза стекла необходимы два условия: наличие в стекле вваренных электродов, которые при изготовлении или эксплуатации прибора находятся под разными потенциалами; высокая температура стекла на участке между электродами.

Электролиз стекла обусловливается следующими физико-химическими процессами. При повышенной температуре происходит диссоциация силикатов, входящих в состав стекла; при этом образуются положительные и отрицательные ионы Na⁺, К⁺, SiO^2—з и т. д. При приложении к электродам, вваренным в стекло, разности потенциалов создается электрическое поле, под действием которого в стекле начинается движение ионов — утечка. При этом положительные ионы движутся к катоду (т. е. электроду, находящемуся под отрицательным потенциалом), а отрицательные ионы — к аноду.

Перемещение ионов в стекле приводит к снижению удельного объемного сопротивления и увеличению ТКР стекла в микрослое вокруг катодного вывода и, наоборот, к увеличению удельного объемного сопротивления и снижению ТКР в микрослое вокруг анодного вывода — это вызывает пробой через стекло и его разрушение.

Стекло обычно разрушается с внутренней стороны на участке ввода с высоким положительным потенциалом, в микрослое стекла У анода наблюдается большое падение напряжения и образование микротрещин. При этом чем выше температура, тем при меньшей напряженности поля возникает пробой и разрушение стекла. Даже при отсутствии пробоев электролиз может привести к образованию сквозных каналов около электродов, нарушающих герметичность спаев.

Ослабления вредного влияния электролиза можно достигнуть тремя способами:

применением стекол с высоким сопротивлением;

искусственным охлаждением спаев стекла с металлом при работе прибора;

увеличением расстояния между электродами.

Диэлектрическая проницаемость является количественной характеристикой процессов поляризации.

Поляризация стекла в переменном поле приводит:

к нагреву и, следовательно, к снижению электрического сопротивления стекла, что вызывает увеличение тока сквозной проводимости или тока утечки 7_а через стекло;

к увеличению емкости между электродами, разделенными стеклянным изолятором, что вызывает увеличение емкостного тока 7см.

Поэтому вектор суммарного тока 1 через стекло (равного сумме токов сквозной проводимости и емкостного тока) будет лежать между векторами активного и емкостного тока; суммарный ток будет по фазе опережать напряжение на угол, лежащий в интервале 0° — 90° (рис. 10.2).

Углом диэлектрических потерь называется угол б, дополняющий до 90° угол сдвига фаз р между векторами суммарного тока и напряжения.

Тангенс угла диэлектрических потерь tg д характеризует отношение активной составляющей тока, проходящего через стекло, к емкостному току. Чем меньше tg 5, тем выше

При электролизе на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород, что приводит к ухудшению вакуума в готовом приборе, а также к восстановлению металла электродов, находящихся под отрицательными потенциалами, и окислению металла электродов, находящихся под положительным потенциалом. Одновременно изменяется цвет спаев. Например, при электролизе стекла платинитовый ввод, находящийся под положительным потенциалом, приобретает черный цвет (происходит окисление закиси меди в оксид — кислородом, выделяющимся на аноде); платинитовой ввод, находящийся под отрицательным потенциалом, приобретает цвет натуральной меди (происходит восстановление закиси меди водородом, выделяющимся на катоде).

Почернение свинцового стекла (например, С93-1) при электролизе объясняется тем, что щелочные металлы (накапливающиеся при электролизе у катода) вступают в химическое взаимодействие с оксидом свинца, входящим в состав стекла, и образуют черный металлический свинец:

Изоляционные качества стекла, меньше диэлектрические потери и ценее интенсивен разогрев стекла в переменном поле. У идеального диэлектрика tg 3 равен нулю — в этом случае активный ток через диэлектрик не проходит.

Диэлектрическими потерями называют энергию, которая в единицу времени рассеивается в стекле, помещенном в переменное электрическое поле: