К диэлектрическим характеристикам стекла, характеризующим его как материал для производства изоляторов, должны быть отнесены: проводимость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и электрическая прочность.
Рассматривая диэлектрические свойства стекла, необходимо отметить, что наиболее подробно с этой точки зрения изучены стекла щелочных составов. Диэлектрические свойства стекол малощелочных составов и влияние на эти свойства различных факторов изучены в значительно меньшей степени. Поэтому в настоящей главе в основном описываются электрические свойства щелочных стекол и их зависимость от состава, температуры, вида электрического поля и т. д.
Электропроводность, Электрический ток возникает в любом веществе под воздействием прилагаемого электрического напряжения. При этом действие сил электрического поля вызывает упорядоченное движение заряженных частиц этого вещества, так называемых носителей тока. Объемная электропроводность стекол обусловливается направленным перемещением ионов веществ, входящих в состав стекол, а также ионов примесей. Основными переносчиками электрических зарядов являются ионы щелочных металлов, обладающие наименьшими размерами, благодаря чему они могут перемещаться внутри структурной решетки более свободно, чем ионы других металлов. При этом наиболее подвижными являются ионы Li и N, менее подвижны ионы К. Как будет показано ниже, именно наличие в составе щелочных стекол, Li и Na определяет проводимость этих стекол.
Что касается бесщелочных стекол, то основным переносчиком электрических зарядов здесь являются ионы двухвалентных металлов (например, Mg) или электроны [Л. 30 и 31].
Изменение удельного объемного сопротивления, т. е. величины, обратной проводимости стекла, в зависимости от температуры имеет большое значение для определения работоспособности электроизоляционных конструкций в требуемом диапазоне температур. У стекол, предназначенных для производства изоляторов, в первую очередь важна зависимость удельного электрического сопротивления в интервале температур от 0 до 100 °C. Желательно, чтобы в этом интервале удельное объемное сопротивление стекла не изменялось резко и не вызывало перераспределения электрического напряжения вдоль гирлянды изоляторов.
Существует зависимость [Л. 30], определяющая проводимость стекла:
(1-2)
где n — количество ионов, содержащееся в единице объема; q — заряд иона; q — расстояние между двумя потенциальными ямами структурной решетки; v — частота колебаний иона в положении равновесия (ν=1012- 1013 гц); k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; U — эффективная энергия активации.
Расчет удельного объемного сопротивления стекла может быть произведен следующим образом [Л. 30]. Вначале определяется удельное сопротивление при 300 °C:
где а — сумма содержания щелочных окислов; аk— содержание К2O; b — сумма всех RO; bmz — содержание суммы MgO и ZnO; bc — содержание CaO; bbp — содержание суммы ВаО и РbО; с —содержание А12О3; d — содержание В2O3.
Все величины выражены в молярных процентах.
В табл. 1-3 приведены значения удельных объемных сопротивлении ряда стекол, составы которых близки к стеклам, используемым для изготовления высоковольтных и низковольтных изоляторов.
Таблица 1-3
Рис. 1-3. Характерная температурная зависимость удельного объемного сопротивления щелочных и малощелочных стекол.
Сопоставляя приведенные в табл. 1-3 данные, можно отметить, что малощелочные стекла в этих условиях снижают свое сопротивление в меньшей степени, чем стекла с содержанием большого количества щелочных окислов. Это свойство малощелочных стекол дает основание полагать, что при длительной эксплуатации изоляторов в условиях высоких температур, например в странах с тропическим климатом, более надежно должны работать изоляторы, изготовленные из малощелочного стекла.
Приведенные данные говорят о том, что химический состав стекол в значительной степени влияет на их электрические характеристики и в первую очередь на проводимость и удельное объемное сопротивление. Абсолютно точно определить зависимость проводимости стекла от его химического состава весьма сложно, но общий характер изменения этой зависимости исследован и описан многими авторами [Л. 30, 33—35].
Рис. 1-4. Влияние замены части SiO2 щелочными окислами на удельное сопротивление стекла. Исходный состав стекол: 82% SiO2+ 18% Na2O.
Естественно предположить, что коль скоро основными переносчиками электрических зарядов в щелочных стеклах являются ионы щелочных металлов, то их содержание в стекле главным образом будет определять электрическое сопротивление такого диэлектрика.
Рис. 1-5. Нейтрализационный эффект в щелочных стеклах.
Уже небольшой добавки щелочных окислов в кварцевое стекло достаточно для уменьшения его сопротивления на 1—2 порядка. При замещении в составе кварцевого стекла 40% кремнезема на щелочные окислы сопротивление стекла уменьшается с 1018 до 1010—108 Ом·см. Среди щелочных стекол большее сопротивление, как видно из рис. 1-4. имеют калиевые стекла. Натриевые и литиевые стекла при содержании одинакового количества R2O имеют более высокую проводимость. И тем не менее одновременное введение в определенных пропорциях в состав щелочных стекол двух или трех различных окислов щелочных металлов не только не увеличивает проводимость такого стекла, но, наоборот , снижает ее. Этот эффект, изученный и описанный Г. И. Сканави [Л. 36], носит название «нейтрализационного», или полищелочного эффекта. Физический смысл этого эффекта состоит в следующем. В стекле, содержащем два или три щелочных нона, перенос зарядов осуществляют ионы, которые перемещаются внутри решетки по вакантным местам, освобожденным ионами одноименного щелочного металла. Основная доля переносимого электричества падает на ионы того металла, концентрация которого в данном стекле максимальна. Поэтому введение в состав щелочного стекла одного или двух других щелочных окислов приводит, во-первых, к уменьшению концентрации основного носителя и, во-вторых, затрудняет ионам основного щелочного металла перемещение внутри решетки.
Экспериментально установлено, что для стекла, содержащего в своем составе натрий и калий, максимальное значение удельного объемного сопротивления достигается при соотношении щелочных металлов, равном
(рис. 1-5).
Картина изменения сопротивления щелочных стекол с введением в их состав еще одного щелочного окисла сохраняется и у стекол, содержащих окислы щелочноземельных металлов, таких как CaO; MgO; ВаО и др., хотя при этом условие 
= 1,5 и рмакс несколько изменяется. Явление нейтрализационного эффекта дает возможность регулировать электрическое сопротивление щелочных стекол, сохраняя другие электрофизические и технологические свойства стекол подобранного состава.
Замена части кремнезема у щелочных стекол другими окислами нещелочных металлов приводит, как правило, к увеличению электрического сопротивления этих стекол.
Объясняется это тем, что увеличение в составе стекла ионов двухвалентных металлов, обладающих большими размерами по сравнению с ионами щелочных металлов, затрудняет свободное перемещение последних и тем самым препятствует переносу электрических зарядов через диэлектрик.
На рис. 1-6 и 1-7 приведены кривые, характеризующие изменение сопротивления щелочных стекол (начальное содержания SiO2=82%, R2O =—18%) с введением в их состав окислов двухвалентных и трехвалентных металлов. Своеобразно влияет на проводимость щелочных стекол введение в их состав вместо SiO2 окиси алюминия. Если в первоначальный момент сопротивление стекла растет и при соотношении
достигает максимума, но дальнейшее увеличение окиси алюминия приводит к уменьшению сопротивления, которое достигает минимума при соотношении Al2O3/R2O=1. Поэтому в состав щелочных стекол, содержащих около 12—14% щелочей, введение окиси алюминия в больших количествах нежелательно. В то же время с уменьшением содержания щелочей в составе стекла влияние добавок окиси алюминия возрастает. Особенно сильно влияет на увеличение сопротивления введение окиси алюминия в состав малощелочных и бесщелочных стекол, хотя в целом сопротивление бесщелочных стекол в меньшей степени зависит от состава, чем сопротивление щелочных стекол. Это можно объяснить тем, что в отличие от щелочных стекол переносчиками электрических зарядов у бесщелочных и малощелочных стекол являются малоподвижные ионы двухвалентных металлов. Поведение стеклянных изоляторов при длительной работе под постоянным напряжением еще недостаточно изучено. На невозможность применения изоляторов из стекла с большим содержанием натрия для линий электропередачи постоянного тока указывается в [Л. 8], где рекомендуется для этих целей использовать специальный состав стекла. В то же время французская фирма Sediver и итальянская фирма Fidenza Vetraria утверждают, что их изоляторы, изготовленные из обычных щелочных стекол, успешно эксплуатируются на линиях электропередачи постоянного тока.
Рис. 1-6. Влияние замены части SiO2 в щелочном стекле окислами двухвалентных металлов на удельное электрическое сопротивление.
Можно предположить, что использование полищелочного эффекта снизит вероятность ускоренного старения щелочных стекол под воздействием постоянного напряжения, но пока можно лишь утверждать, что наиболее надежно в этих условиях будут работать бесщелочные и малощелочные стекла.
Заканчивая рассмотрение вопроса об электрическом сопротивлении стекол, необходимо отметить, что оно изменяется также в зависимости от величины напряженности электрического поля и тепловой обработки стекла.
Рис. 1-7. Влияние замены части SiO2 в щелочном стекле окислами трехвалентных металлов на удельное электрическое сопротивление.
Увеличение напряженности электрического поля, в котором работает стекло, вызывает уменьшение сопротивления последнего. Однако практического значения эта зависимость для условий работы стеклянных изоляторов не имеет, так как уменьшения сопротивления стекла примерно на один порядок можно ожидать только при напряженности электрического поля, равной 103 кВ/см. Что касается тепловой обработки стекла, то известно, что закаленные образцы стекла обладают меньшим электрическим сопротивлением по сравнению с аналогичными образцами, изготовленными из отожженного стекла.
