介電常數(shù)分絕對介電常數(shù)(ε)和相對介電常數(shù)(εr)。絕對介電常數(shù)是電流密度D與電場強度E之比,法定計量單位法拉/米,符號為F/m。相對介電常數(shù)εr是絕對介電常數(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時的電容量(Cx)與其間為真空時的電容量(C0)之比來確定,如式(4-49)所示。
εr=Cx/C0——①
根據(jù)電學理論,εr與電介質極化度α有如下關系:
εr=1+4πα——②
式中α——介質極化率,在真空中α=0,ε=1,因此介質的極化度越大,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:在外電場作用下,正、負離子偏離原有位置,做相對位移時所產生偶極矩的變動;
3、 取向極化:由玻璃中極性分子在外電場作用下定向排列而引起的。
無機玻璃的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,εr要;作用電容器時,則要求εr要大,尤其是制造小型電容器時。影響εr的因素主要是玻璃的化學成分、溫度和電場頻率。
玻璃的介電常數(shù)與其化學成分的關系可從離子極化率和遷移率的大小來考慮。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,在堿含量相同時隨著陽離子半徑的增大,場強的減小,與非橋氧結合的降低,介電常數(shù)按Li2O→Na2O→K2O的順序增大。
引入其它成分對介電常數(shù)的影響與上述類似,對于堿土金屬也是陽離子的場強減小時介電常數(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,例如將PbO引入玻璃中時,介電常數(shù)可超過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似。
溫度升高會增大陽離子的遷移率,從而使介電常數(shù)增加很大。玻璃在100℃以下時,εr變動不大,從20~100℃時εr平均增加3%~10%,但當溫度進一步升高時,εr迅速增大,如圖4-40所示。玻璃中R2O含量越大,則εr迅速增大時的溫度越低。PbO也有同樣的作用。
介電常數(shù)還與測定的頻率有關。外電場頻率越低,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,在玻璃溫度升高過程中εr迅速變大的溫度也越低。在低溫時,頻率的影響較在高溫時為小,這是由于在高溫時離子和偶極子的熱運動加強,導致介質極化增大的結果。
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