Свойства и разработка новых оптических стекол - Царевский Е.Н.
Скачать (прямая ссылка):
При повышении температуры границы между областями смещаются в направлении меньших времен. Истинная электропроводность, связанная со сквозным движением электрических зарядов, может быть определена по величине тока лишь на том участке, где ток не зависит от времени. При этом следует учитывать полную
величину поданного на образец напряжения. Экстраполяция к
нулю в случае исследования стекол вообще не имеет смысла, так как по частотной зависимости коэффициента потерь стекол можно установить, что по мере уменьшения времени, протекшего от момента подачи постоянного напряжения, электропроводность любого стекла будет непрерывно возрастать по крайней мере вплоть до десятых долей наносекунды [10, 11].
В настоящее время твердо установлено, что в щелочесодержащих стеклах процессы ионной релаксации определяются локальными смещениями щелочных ионов под действием электрического поля. Это приводит к росту диэлектрической проницаемости е образца, что может уменьшить напряженность поля в диэлектрике лишь при постоянстве заряда на электродах. Если электроды соединены с внешним источником напряжения, рост е образца приведет
Рис. 3. Общие закономерности изменения во времени тока, идущего через стеклянный образец, к электродам которого приложено постоянное напряжение, в случаях:
1 — полностью обратимых (неполяризующих) электродов; 2 — поляризующих электродов
104
к пропорциональному увеличению заряда на электродах и уменьшения электрического поля внутри образца не произойдет. При ступенчатом снижении напряжения, подаваемого на образец, интенсивность локального смещения щелочных ионов уменьшится пропорционально снижению напряжения. Переход к новому распределению щелочных ионов в стекле (скорость этого перехода зависит от температуры) приведет к появлению тока тепловой ионной релаксации, по знаКу противоположному току сквозной проводимости.
Таким образом, измерения высоковольтной поляризации сводились к подбору такой величины Vt — V2, ПРИ которой абсолютные значения тока ионной релаксации, отвечающего периоду времени, непосредственно следующему за моментом отключения электрометра от земли, и тока сквозной проводимости оказываются равными.
Поскольку ток ионной релаксации в первый период после изменения напряжения может сильно зависеть от времени, становится понятным, почему разница во временных интервалах между переключениями 1 и 2 (рис. 3) оказывала влияние на результат определения высоковольтной поляризации.
Процессы ионной релаксации, кроме спадания тока во времени и роста за счет релаксационной составляющей диэлектрической проницаемости, определяют также рост электропроводности при переменном напряжении с повышением частоты и появление релаксационных диэлектрических потерь. Таким образом, это явление лежит в основе целого комплекса электрических свойств стекол.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Основные представления, которые лежат в основе теории тепловой ионной релаксации применительно к так называемой тепловой ориентационной поляризации в жидкостях, содержащих полярные молекулы, были разработаны П. Дебаем [2] задолго до появления концепции высоковольтной поляризации. Однако прошло довольно много времени, прежде чем стало абсолютно ясно, что теория П. Дебая, по крайней мере в ее феноменологическом аспекте, может быть использована и для описания процессов, протекающих в стеклах.
Простейшая модель, на основе которой могут быть описаны процессы ионной релаксации [15], изображена на рис, 4. Релакси-рующий ион может занимать любую из двух потенциальных ям, разделенных барьером U. В отсутствие поля нахождение иона в каждой из этих ям равновероятно. При наложении постоянного поля вероятностное распределение иона между двумя ямами изменяется, так как при перебросе в соседнюю яму иону 1 приходится преодолевать барьер U — AU, а иону 2 — барьер U -f AU. Новое распределение устанавливается не сразу. Достижение при этом системой нового равновесного состояния является типичным релак -
105
сационным процессом. Можно, например, записать для тока смещения
lt = h exp (—~)
(1)
Здесь /„ — ток в первый момент после подачи напряжения;
11 — ток через время t после подачи напряжения; т — время ре-
лаксации, которое связано с величиной U следующим образом:
3exp(U'feT) ,п.
т =-----Ц----L , (2)
Рис. 4. Схема зависимости потенциальной энергии иона от его положения: а — при отсутствии электрического поля; б — после приложения электрического поля
где v — частота тепловых колебаний. Коэффициент 3 определяется тем обстоятельством, что общее число попыток в секунду иона выскочить из потенциальной ямы равно 2v, но с направлением приложенного поля совпадает лишь одна шестая часть этих попыток.
Из формулы для изменения электрического момента в рассматриваемых процессах [15] вытекает, что в постоянном поле
где et, е( и е4 — диэлектрическая проницаемость соответственно при времени, равном t, нулю и бесконечности.
При переменном синусоидальном напряжении, согласно П. Дебаю:
1 1 + со2т2
(5)
Здесь е' — диэлектрическая проницаемость при круговой частоте со; е" — коэффициент потерь; ех = е,- (значок оо означает бесконечную частоту).
