高温下玻璃体导电实验研究

【摘要】本文对玻璃体在高温作用下导电现象进行了实验研究，分别采用交流电和直流电供电的方式将玻璃体加热到500℃以上，研究其导电性能，经过实验研究分析得到玻璃体温度越高两端电压越高，其导电能力越强。高温使得玻璃体内电子挣脱原子的束缚形成自由电子，从而具备了导电能力。端电压使受高温的玻璃产生电离，从而导电。

【关键词】玻璃导电;高温;自由电子;电压;电离

众所周知玻璃是绝缘体，常态下是不可导电的，但是在高温下（500℃以上）情况会发生变化。玻璃是一种透明的固体，是由半液体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类。普通玻璃主要成份是二氧化硅6SiO2、氧化钙CaO、氧化钠Na2O、氧化铝AL2O3等，这些化合物结构稳定，多以共价键结合，无自由电子，是标准的绝缘体。

物体从它的导电性能来看，可分为导体、绝缘体和半导体。能够导电的物体叫导体，金属、石墨、酸、碱、盐的水溶液等都是导体。导体之所以能够导电的原因是，导体中存在大量能够自由移动的电荷。当导体两端存在电压时，这些自由电荷能够向一定方向运动形成电流。金属导体中的自由电荷是自由电子，金属导体中的电流是自由电子的定向移动形成的。酸、碱、盐的水溶液中的自由电荷是正负离子，正、负离子的定向移动形成电流。电离气体中有自由移动的电子和正、负离子，也能够导电。导电能力介于导体与绝缘体之间的物体，叫做半导体。半导体一般是固体。如：锗、硅及某些化合物等。半导体的特点是：加入微量杂质或外界条件（温度、光照、压力等）变化时，半导体的电阻会发生显著的变化。

不能够导电的物体叫做绝缘体，玻璃、陶瓷、空气等都是绝缘体。绝缘体之所以不导电是因为其中的自由电荷极少，导电性能极差。绝缘体不能导电不是绝对的，在加热、加高压等条件下，绝缘体也可以导电。平常的空气不导电，如果加的电压很高，空气也会变成导体，闪电就是空气中通过电流产生的。干燥的木棒是绝缘体，木棒潮湿后就变成了导体。玻璃在常温下是很好的绝缘体，但在高温下可以导电。本课题就是通过实验研究玻璃体在高温下的导电情况。

1.玻璃导电实验研究装置原理

如图1所示，采用市用交流电源进行实验，由变压器控制改变输入电压的大小，将额定电压220V额定功率40W的白炽灯与普通民用玻璃体串联形成一个闭合回路，接在变压器的输出端，用电压表分别监测白炽灯和玻璃体两端的电压，用电流表监测回路中的电流，用酒精灯对玻璃体进行加热升温，用热电偶金属温度计监测玻璃体的温度。此实验装置专门用于研究玻璃体样品受酒精灯加热后温度升高，产生导电现象，致使电路中的电流、电压和白炽灯发光现象发生变化。

图1 实验原理装置图

2.实验研究

在常态下，通过变压器供给交流电，玻璃体样品、白炽灯两端均有电压，但电流表显示电路中无电流，白炽灯不亮;用酒精灯对玻璃体进行加热，当玻璃体样品温度上升到500℃以上时，白炽灯开始点亮，电流表显示电路中有电流，说明玻璃体开始导电，随着玻璃体温度的升高，输入电压的加大，回路中的电流随之增大，白炽灯亮度逐渐增加。采用市用交流电进行实验实验数据如表1所示。

表1 玻璃体样品交流电实验数据表

序号 输入电压/V 灯泡两端电压/V 玻璃体样品两端电压/V 电流/mA 温度/℃

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

为了能进一步进行实验研究，将交流电源改为直流低压电源，白炽灯改为红色LED灯，进行实验后采集到的数据如表2所示。

表2 玻璃体样品直流电实验数据表

序号 输入电压/V LED灯两端电压/V 玻璃体样品两端电压/V 电流/?A 温度/℃

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

通过实验、结合表1中的数据可知，当采用交流电源供电时，当电压为60V以上，玻璃样品温度被酒精灯加热至500℃以上时白炽灯开始发亮，随着输入电压的增加，玻璃体样品的温度增加，电路中的电流逐渐增加，白炽灯的亮度也逐渐增强。

当使用直流电源供电时，电压较低，电路中的电流也较小，但随着电压的增加，以及玻璃体样品温度的升高，电路中的电流也逐渐增大，LED灯的亮度也是逐渐增强的，而且LED灯点亮后，其压降是基本固定在2.60～2.70V之间，但玻璃体样品的压降是随着输入电压的升高和温度的增高而逐渐增大。

3.导电机理分析研究

玻璃体之所以不导电是因为玻璃体内部原子核对电子的束缚能力很强，其中的自由电子极少，甚至没有，导电性能极差。如果使玻璃温度升高，被束缚的电子有足够的能量可以脱离原子核的约束，而成为自由电子，这样玻璃的导电能力就会提高。再者，电压增高增加了高温玻璃体的电离能量，产生电离，从而导电。这一点从实验中的交流供电和直流供电可以看出，由于直流供电电压低，玻璃体内的电离较小，所以导电能力较弱，产生的电流较小，只能使LED灯发亮。交流供电随着电压的增大，高温玻璃电离增大，导电能力增强，电流也逐渐加大。

从实验可知，玻璃体的温度越高，玻璃体两端的电压越大，玻璃的导电能力越强。致使玻璃体导电的因素是两个，一是高温，另一个是电压，当然其中高温是最主要的因素。

4.结束语

所谓导体与绝缘体是指常态下的材料导电性能的区分，在非常态下，有些绝缘体是可以导电的，此实验充分的说明了在高温状态下，玻璃是能够导电的，而且随着温度的升高电压的加大玻璃的导电能力随之增强。

参考文献

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基金项目：本文系楚雄师范学院国家级特色物理学专业项目（项目编号：12467）。指导老师：王昆林。

作者简介：

许林长（1992―），男，楚雄师范学院物理与电子科学学院2011级本科生，主要从事大学物理学专业学习和物理实验研究。

王昆林（1957―），男，楚雄师范学院物理与电子科学学院教授，主要从事物理教学及相关性研究。