高溫下玻璃體導電實驗研究
2014-12-31 00:00:00許林長王昆林楊承相
電子世界 2014年20期
【摘要】本文對玻璃體在高溫作用下導電現(xiàn)象進行了實驗研究，分別采用交流電和直流電供電的方式將玻璃體加熱到500℃以上，研究其導電性能，經(jīng)過實驗研究分析得到玻璃體溫度越高兩端電壓越高，其導電能力越強。高溫使得玻璃體內(nèi)電子掙脫原子的束縛形成自由電子，從而具備了導電能力。端電壓使受高溫的玻璃產(chǎn)生電離，從而導電。
【關鍵詞】玻璃導電;高溫;自由電子;電壓;電離
眾所周知玻璃是絕緣體，常態(tài)下是不可導電的，但是在高溫下（500℃以上）情況會發(fā)生變化。玻璃是一種透明的固體，是由半液體物質(zhì)，在熔融時形成連續(xù)網(wǎng)絡結構，冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而不結晶的硅酸鹽類。普通玻璃主要成份是二氧化硅6SiO2、氧化鈣CaO、氧化鈉Na2O、氧化鋁AL2O3等，這些化合物結構穩(wěn)定，多以共價鍵結合，無自由電子，是標準的絕緣體。
物體從它的導電性能來看，可分為導體、絕緣體和半導體。能夠導電的物體叫導體，金屬、石墨、酸、堿、鹽的水溶液等都是導體。導體之所以能夠導電的原因是，導體中存在大量能夠自由移動的電荷。當導體兩端存在電壓時，這些自由電荷能夠向一定方向運動形成電流。金屬導體中的自由電荷是自由電子，金屬導體中的電流是自由電子的定向移動形成的。酸、堿、鹽的水溶液中的自由電荷是正負離子，正、負離子的定向移動形成電流。電離氣體中有自由移動的電子和正、負離子，也能夠導電。導電能力介于導體與絕緣體之間的物體，叫做半導體。半導體一般是固體。如：鍺、硅及某些化合物等。半導體的特點是：加入微量雜質(zhì)或外界條件（溫度、光照、壓力等）變化時，半導體的電阻會發(fā)生顯著的變化。
不能夠導電的物體叫做絕緣體，玻璃、陶瓷、空氣等都是絕緣體。絕緣體之所以不導電是因為其中的自由電荷極少，導電性能極差。絕緣體不能導電不是絕對的，在加熱、加高壓等條件下，絕緣體也可以導電。平常的空氣不導電，如果加的電壓很高，空氣也會變成導體，閃電就是空氣中通過電流產(chǎn)生的。干燥的木棒是絕緣體，木棒潮濕后就變成了導體。玻璃在常溫下是很好的絕緣體，但在高溫下可以導電。本課題就是通過實驗研究玻璃體在高溫下的導電情況。
1.玻璃導電實驗研究裝置原理
如圖1所示，采用市用交流電源進行實驗，由變壓器控制改變輸入電壓的大小，將額定電壓220V額定功率40W的白熾燈與普通民用玻璃體串聯(lián)形成一個閉合回路，接在變壓器的輸出端，用電壓表分別監(jiān)測白熾燈和玻璃體兩端的電壓，用電流表監(jiān)測回路中的電流，用酒精燈對玻璃體進行加熱升溫，用熱電偶金屬溫度計監(jiān)測玻璃體的溫度。此實驗裝置專門用于研究玻璃體樣品受酒精燈加熱后溫度升高，產(chǎn)生導電現(xiàn)象，致使電路中的電流、電壓和白熾燈發(fā)光現(xiàn)象發(fā)生變化。
圖1 實驗原理裝置圖
2.實驗研究
在常態(tài)下，通過變壓器供給交流電，玻璃體樣品、白熾燈兩端均有電壓，但電流表顯示電路中無電流，白熾燈不亮;用酒精燈對玻璃體進行加熱，當玻璃體樣品溫度上升到500℃以上時，白熾燈開始點亮，電流表顯示電路中有電流，說明玻璃體開始導電，隨著玻璃體溫度的升高，輸入電壓的加大，回路中的電流隨之增大，白熾燈亮度逐漸增加。采用市用交流電進行實驗實驗數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 玻璃體樣品交流電實驗數(shù)據(jù)表
序號 輸入電壓/V 燈泡兩端電壓/V 玻璃體樣品兩端電壓/V 電流/mA 溫度/℃
1 60.00 30.00 48.00 80.00 522.10
2 80.00 39.00 59.00 80.00 522.40
3 100.00 42.00 71.00 80.00 549.00
4 110.00 45.00 86.00 80.00 558.70
5 120.00 46.00 93.00 74.00 562.20
6 130.00 46.00 113.00 80.00 564.00
7 140.00 43.00 128.00 80.00 576.60
8 150.00 47.00 137.00 80.00 578.50
9 160.00 49.00 149.00 80.00 580.00
10 170.00 52.00 145.00 90.00 583.20
11 180.00 57.00 144.00 90.00 582.00
12 190.00 68.00 131.00 100.00 584.40
13 200.00 86.00 136.00 110.00 655.00
14 210.00 98.00 124.00 120.00 660.00
15 220.00 103.00 124.00 120.00 680.00
為了能進一步進行實驗研究，將交流電源改為直流低壓電源，白熾燈改為紅色LED燈，進行實驗后采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 玻璃體樣品直流電實驗數(shù)據(jù)表
序號 輸入電壓/V LED燈兩端電壓/V 玻璃體樣品兩端電壓/V 電流/μA 溫度/℃
1 3.00 2.10 0.90 160.00 648.00
2 4.00 2.20 1.80 280.00 736.00
3 5.00 2.60 2.40 480.00 710.00
4 6.00 2.60 3.40 400.00 725.00
5 7.00 2.60 4.40 600.00 738.00
6 8.00 2.70 5.30 480.00 720.00
7 9.00 2.70 6.30 560.00 740.00
8 10.00 2.70 7.30 680.00 721.00
9 11.00 2.70 8.30 840.00 721.00
10 12.00 2.70 9.30 900.00 720.00
11 13.00 2.70 10.30 860.00 723.00
12 14.00 2.70 11.30 880.00 719.00
13 15.00 2.70 12.30 960.00 714.00
14 16.00 2.70 13.30 980.00 740.00
15 17.00 2.70 14.30 960.00 723.00
通過實驗、結合表1中的數(shù)據(jù)可知，當采用交流電源供電時，當電壓為60V以上，玻璃樣品溫度被酒精燈加熱至500℃以上時白熾燈開始發(fā)亮，隨著輸入電壓的增加，玻璃體樣品的溫度增加，電路中的電流逐漸增加，白熾燈的亮度也逐漸增強。
當使用直流電源供電時，電壓較低，電路中的電流也較小，但隨著電壓的增加，以及玻璃體樣品溫度的升高，電路中的電流也逐漸增大，LED燈的亮度也是逐漸增強的，而且LED燈點亮后，其壓降是基本固定在2.60～2.70V之間，但玻璃體樣品的壓降是隨著輸入電壓的升高和溫度的增高而逐漸增大。
3.導電機理分析研究
玻璃體之所以不導電是因為玻璃體內(nèi)部原子核對電子的束縛能力很強，其中的自由電子極少，甚至沒有，導電性能極差。如果使玻璃溫度升高，被束縛的電子有足夠的能量可以脫離原子核的約束，而成為自由電子，這樣玻璃的導電能力就會提高。再者，電壓增高增加了高溫玻璃體的電離能量，產(chǎn)生電離，從而導電。這一點從實驗中的交流供電和直流供電可以看出，由于直流供電電壓低，玻璃體內(nèi)的電離較小，所以導電能力較弱，產(chǎn)生的電流較小，只能使LED燈發(fā)亮。交流供電隨著電壓的增大，高溫玻璃電離增大，導電能力增強，電流也逐漸加大。
從實驗可知，玻璃體的溫度越高，玻璃體兩端的電壓越大，玻璃的導電能力越強。致使玻璃體導電的因素是兩個，一是高溫，另一個是電壓，當然其中高溫是最主要的因素。
4.結束語
所謂導體與絕緣體是指常態(tài)下的材料導電性能的區(qū)分，在非常態(tài)下，有些絕緣體是可以導電的，此實驗充分的說明了在高溫狀態(tài)下，玻璃是能夠導電的，而且隨著溫度的升高電壓的加大玻璃的導電能力隨之增強。
參考文獻
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基金項目：本文系楚雄師范學院國家級特色物理學專業(yè)項目（項目編號：12467）。指導老師：王昆林。
作者簡介：
許林長（1992—），男，楚雄師范學院物理與電子科學學院2011級本科生，主要從事大學物理學專業(yè)學習和物理實驗研究。
王昆林（1957—），男，楚雄師范學院物理與電子科學學院教授，主要從事物理教學及相關性研究。
