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.
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
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.