Электрические свойства твердых тел, страница 5

Во многих диэлектриках доминирующей является ионная проводимость, при которой ток переносится положительными ионами (катионами) или отрицательными анионами. При этом осуществляется не только перенос заряда, но и перенос вещества в соответствии с законом Фарадея для электролиза, что приводит к нарушению стехиометрии в приэлектродных областях. Основными носителями тока являются или ионы, имеющие наименьший размер при одинаковом заряде, или ионы, имеющие меньший заряд (и меньше поляризующие объем), при близких размерах. В силикатных материалах ток обычно переносится одновалентными катионами металлов, реже - двухвалентными катионами. Очень часто - это ионы Na+, Li+, Mg+. Если перенос заряда осуществляется лишь ионами одного знака, то электропроводность называют униполярной.

Главный фактор, стимулирующий объемную электропроводность диэлектриков - повышение температуры. Поскольку итоговая электропроводность диэлектриков может определяться движением многих носителей заряда, то зависимость удельной электропроводности от температуры удобнее всего представить в виде полуэмпирического уравнения

                                   (2.3.14)

где A1, A2, …, An - константы для данного типа носителя заряда в данном материале, B1, B2, …, Bn - также константы, имеющие смысл энергии активации, энергии, необходимой для выхода иона данного типа из точки закрепления в решетке. Как правило, B меньше для примесных ионов и потому в низкотемпературной области превалирует примесная проводимость, а в высокотемпературной преимущественно наблюдается собственная проводимость, обеспечиваемая как движением ионов основного остова решетки, так и движением электронов.

Уравнение (2.3.14) в принципе пригодно для описания электропроводности любых диэлектрических материалов, но для стекол его применимость ограничивается учетом температуры размягчения tg(~873...1673К для стекол разного состава). Выше tg для стекол и для силикатных расплавов при описании электропроводности используют различные эмпирические зависимости, из которых наиболее широко распространены      

                                 (2.3.15)

где a, b, A, B, T0 - некоторые параметры материала.

Исследования электросопротивления стекол показали, что для снижения их проводимости необходимо уменьшать содержание подвижных катионов. Замена в щелочных стеклах ионов Na+ на ионы K+ может резко снизить объемную проводимость sV стекла; аналогичного результата можно добиться, если частично или полностью заменить щелочной оксид  щелочноземельным (CaO, BaO). На несколько порядков снижает электропроводность стекол их кристаллизация.

Рис.2.3.9.Зависимость удельного сопротивления некоторых керамик от температуры:

1-особочистая Al2O3; 2 - Al2O3 без специальной очистки; 3 - Al2O3+

+1% TiO2; 4 - высоковольтный фарфор; 5 – ZrO2+12,5% CaO

Спрямление графиков зависимостей r(Т) в полулогарифмических координатах подтверждает экспоненциальный характер зависимости электропроводности и электрических материалов от температуры (рис.2.3.9).

На многих графиках наблюдается излом, свидетельствующий о смене механизма электропроводности, примеси снижают электросопротивление (сравните графики 1,2,3). Наличие стекловидной фазы (фарфор) также снижает электросопротивление, напротив, мелкокристаллическая структура изолятора улучшает его эксплуатационные характеристики.

2.3.3. Высокотемпературная сверхпроводимость в керамических материалах

Научной сенсацией конца 20 века стало открытие материалов, сохраняющих сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих 77К - температуру кипения жидкого азота. В 1986-87 годах несколькими группами зарубежных и отечественных ученых было показано, что при Т=36К переходят в сверхпроводящее состояние металлооксидные керамические соединения La2-xBaxCuO4  и La2-xSrxCuO4 (х = 0,15¸0,2), что на 13 градусов выше предыдущего рекорда по температуре сверхпроводящего перехода Tc (23,2 K соединения Nb3Ge). Еще более высока температура Tc у керамики Yba2Cu3O9-Y - от 92 до 98К в зависимости от приготовления образцов, их термической обработки и химического состава: иттрий может заменяться редкоземельными элементами Sc, Eu, Dy, Ho, Er, Lu, Tm. Металлический характер проводимости в соединениях этого типа исследовался и ранее. Сверхпроводимость же изучалась в основном в металлах и их соединениях. Полученные на металлах результаты объяснялись с позиции теории БКШ (Бардина-Купера-Шриффера) образованием так называемых куперовских электронных пар, способных перемещаться по решетке сверхпроводника без трения и потерь энергии.

Заманчивые перспективы использования явления сверхпроводимости - передача электроэнергии без потерь на нагревание проводов и окружающей среды, создание сверхсильных магнитных полей - ограничивались как высокой стоимостью жидкого гелия, применяемого для охлаждения проводников и магнитов с целью поддержания сверхпроводящего состояния, так и барьерами в виде ограничений по критическому току  Ic  и критическому магнитному полю Hc, разрушающим сверхпроводящее состояние. "Рекордсменами" по этим параметрам до 1986 года являлись: по Tc =23,2К – уже указанное соединение Nb3Ge; по Нc = 600 кЭ - соединение PbMo6Sb (Tc = 15К); критический ток Ic зависит от внешнего магнитного поля и составляет 105...106 А/см2 у сверхпроводника Nb3Sn (Tc =18 К).

Перевод в сверхпроводящее состояние вещества при "азотных" температурах - большое достижение в силу дешевизны жидкого азота.

На рис.2.3.10 приведен график температурной зависимости сопротивления  образца из керамики Yba2Cu3O9-Y. По величине удельного сопротивления в нормальном состоянии непосредственно перед сверхпроводящим переходом новые сверхпроводники плохими проводниками. Типичное значение r0 составляет 400-800 мкОм×см против r0 = 1,5…1,7 мкОм×см у меди при комнатной температуре.

Рис.2.3.10.Пример сверхпроводящего перехода в системе Y-Ba-Cu-O;         

 Tc - критическая температура сверхпроводящего перехода