玻璃作为电介质使用时,由于交流电场的作用,会因极化或吸收使部分电能转化为热能而损耗,这种电能损失称为介电损耗.
在理想情况下,电路中电压U与电流T之间的相位角是90°,由于介电损耗的存在U和I之间出现相位角θ,它小于90°,即θ=90°-δ,因此作为电介质玻璃的功率损耗即介电损耗Q为:
Q=UIcos(90°-δ)=UIsinδ
当δ值很小时,sinδ≈tanδ≈δ,此δ角称为介电损耗角,一般用tanδ或δ的大小表示介电损耗。
玻璃中的介电损耗按性质包括电导损耗、松弛损耗、结构损耗、共振损耗。
1、电导损耗:电导损耗有网络外体离子沿电场方向移动而产生。降低温度或增大频率可减小离子迁移率而降低电导损耗。
2、松弛损耗:松弛损耗由网络外体离子在一定势垒间随电场做微小运动而产生。与电导损耗相比,松弛损耗出现在较高频率处,当温度升高时,它的极大值向高频方向移动,而增大频率时,则向高温方向移动。
3、结构损耗:结构损耗是由于玻璃网络松弛变形而造成,它随温度和频率而变化。
4、工作损耗:工作损耗由网络外体离子或网络形成体的本征振动吸收能力所造成。这种损耗一般发生在频率大于107Hz.
电导损耗和松弛损耗之和常称为迁移损耗。在室温以上,频率在106Hz以下,玻璃的介电损耗主要是迁移损耗,其大小主要决定于网络外体离子的浓度、离子活动的程度和结构强度等,因此,在玻璃化学成分中凡是增大电导率的氧化物都会增大介电损耗。含有碱金属氧化物的玻璃将具有较大的介电损耗,加入重金属氧化物能降低含碱玻璃的介电损耗,其中尤以BaO、PbO、SrO较为显著。
玻璃的介电损耗随温度的升高而增大,因温度升高,结构网络疏松,碱离子的活动能力增大,在20~80℃,玻璃的tanδ值增大4~6倍。
在高频范围内(>106Hz),玻璃的介电损耗随频率的增加而增大,例如在常温1MHz时,硅酸盐玻璃tanδ为9×10-4,而在3000MHz时,则俄日36×10-4。
热处理同样能对玻璃的介电损耗产生影响。从Tg以上温度急冷的玻璃由于保持了高温疏松的结构,所以其介电损耗比退火玻璃大。值得注意的是,在Tg以下仍与急冷温度有关,这是在玻璃密度和折射率形状上没有发现的。因此在Tg以下玻璃的介电损耗还与玻璃的热历史有关。