Министерство образования РФ

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра материаловедения и ТКМ

Лабораторная работа № 3

Температурная зависимость электрической проводимости твердых диэлектриков

Выполнил: студент

Группы.

Принял: Шарипов И. З.

Уфа 2004

Цель работы

Ознакомиться с методом экспериментального изучения температурной зависимости электропроводности твердых диэлектриков в поле постоянного напряжения. Определить энергию активации электропроводности.

Теоретическая часть

Электрическая проводимость твердых диэлектриков в основном обусловлена перемещением ионов. В общем виде электропроводность любых веществ но представить в виде:

σ = nqμ

σ - электропроводность

n - концентрация носителей заряда

q - величина заряда

µ - подвижность носителя, численно равная средней скорости направленного движения заряда в электрическом поле единичной напряженности. Электропроводность диэлектриков при постоянном напряжении обусловлена диффузионной подвижностью слабо связанных ионов. Концентрация носителей заряда (подвижных ионов) зависит от энергии химической связи и энергии теплового возбуждения. Иначе говоря, концентрация подвижных ионов зависит от физико-химической природы диэлектрика и от температуры.

Зависимость потенциальной энергии иона от его положения в пространстве можно описать периодической функцией

В том случае, когда энергия системы минимальна, каждый ион находится дне потенциальной ямы, то есть в наиболее устойчивом положении. При по­вышении энергии системы (нагреве материала) ион приподнимается относи­тельно дна потенциальной ямы и получает, возможность колебаться относи­тельно положения равновесия. Амплитуда колебаний определяется положением стенок потенциальной кривой.

Таким образом, с ростом температуры амплитуда колебаний ионов воз­растает. Обмен элементарными квантами колебаний - фононами - приводит к тому, что энергия какого-либо иона возрастает настолько, что ион выходит из потенциальной ямы и под действием внешнего электрического поля может пе­ремещаться. Следовательно, при увеличении температуры вероятность появ­ления свободных носителей заряда растёт.

Следует иметь в виду, что в кристаллических телах при выходе иона из узла кристаллической решетки на его месте появляется точечный дефект решетки - вакансия, а вышедший из решетки ион также искажает решетку, и появляется еще один вид точечных дефектов - межузельный атом. Такой механизм появления точечных дефектов был предложен Я. И. Френкелем. Несколь­ко позже Шоттки оценил энергию искажения решетки вблизи вакансии и межузельного атома и пришел к выводу, что в плотноупакованных решетках образование вакансий по механизму Френкеля невозможно. Поэтому был предложен иной механизм появления вакансий: ион, лежащий на поверхности кри­сталла, выходит из узла кристаллической решетки, и на его месте образуется вакансия, затем следующий ион переходит на место вакансии, и вакансия пере­мещается в глубь кристалла.

Присутствие в кристалле вакансий можно рассматривать как наличие но­сителей заряда, поскольку отсутствие иона в узле решетки приводит к локаль­ному искажению плотности зарядов. Подвижность вакансий существенно боль­ше подвижности межузельных ионов, поэтому можно рассматривать вакансии как основные носители заряда в кристаллических диэлектриках.

Приборы и принадлежности

Установка для определения температурной зависимости удельного элек­трического сопротивления состоит из тераомметра, нагревательной печи с двумя электродами для образцов, термопары с регулирующим потенциомет­ром.

Принципиальная схема установки для изучения проводимости диэлектриков

Расчетные формулы

где l=49мм.; S=25мм²; k=1.38·10^-23Дж·K^-1

Таблица полученных и вычисленных величин

t,град	T,K	1/T	R,MОм	σ,1/(MОм•м)	lnσ
100	373	0,00268	26	0,075	-2,585
120	393	0,00254	20	0,098	-2,323
140	413	0,00242	12	0,163	-1,812
160	433	0,00231	9	0,218	-1,524
180	453	0,00221	3	0,653	-0,426
200	473	0,00211	2,3	0,852	-0,160
220	493	0,00203	0,7	2,8	1,030
240	513	0,00195	0,3	6,533	1,877
260	533	0,00188	0,27	7,259	1,982
280	553	0,00181	0,23	8,522	2,143
300	573	0,00175	0,2	9,8	2,282
320	593	0,00169	0,1	19,6	2,976
340	613	0,00163	0,05	39,2	3,669

σ,MОм^-1·м^-1

1/T,K^-1

Вывод

В работе ознакомились с методом экспериментального изучения температурной зависимости электропроводности твердых диэлектриков в поле постоянного напряжения, определили энергию активации электропроводности Ea=1.2·10^-26Дж и построили график зависимости электропроводности диэлектрика от температуры. Полученный график полностью подтверждает теорию: с повышением температуры возрастает подвижность ионов и уменьшается вязкость материала. Степень ионизации при этом также увеличивается. Поэтому электропроводность диэлектриков интенсивно растет с увеличением температуры.