Материалы для терморезисторов
К температурным свойства резисторов в зависимости от применения могут предъявляться следующие требования:
1 - постоянство сопротивления,
2 - изменение сопротивления пропорционально температуре (положительный ТКС),
3 - изменение сопротивления обратно пропорционально температуре (отрицательный ТКС),
4 - резкое изменение сопротивления при определенной температуре (пороговая, бинарная характеристика типа выключателя).
Наиболее широко применяются термисторы с линейной характеристикой в качестве датчиков температуры, силы тока, расхода жидкости или газа. Положительный ТКС обеспечивают металлы, отрицательный – полупроводники ( германий, оксид рутения). Используется платиновая проволока. Тонкопленочные термисторы изготавливают на основе платины, сплава родия с железом.
Термисторы с положительным ТКС может использоваться в цепях токовой защиты. При увеличении тока сопротивление термистора увеличивается, уменьшая падение напряжения во внешней цепи.
Сочетание термисторов с отрицательным и положительным ТКС обеспечивает равномерность сопротивления резистора в широком диапазоне температур.
Для бинарного термистора может быть использован сегнетоэлектрик титанат бария (Ba Ti O3). При низкой температуре высокая диэлектрическая проницаемость ε препятствует образованию потенциальных барьеров на границах зерен, т.е. обусловливает низкое сопротивление. При температуре выше точке Кюри (123oC) ε резко уменьшается, и появление потенциальных барьеров способствует резкому повышению сопротивления. Вне окрестностей температуры Кюри имеет место небольшой отрицательный ТКС.
Резко нелинейное сопротивление имеет и полимерный резистор, в котором между тонкими слоями пластика помещены гранулы графита. При низкой температуре гранулы контактируют друг с другом, образуя проводниковые дорожки. На небольшом интервале повышения температуры наблюдается увеличение сопротивления за счет расширения слоя пластика до тех пор, пока не наступит полная изоляция гранул графита.
Термисторы с бинарной характеристикой используются в системах автоматического включения освещения, предохранителях.
Ионная проводимость
В узлах кристаллической решетки ионных кристаллов находятся заряженные ионы. Они образуют две подрешетки - катионную и анионную. Ионы совершают колебательные движения, но перемещаться по кристаллу, как в жидкости, не могут. Ситуация меняется, если основное вещество "разбавить" другим похожим соединением, в котором анионов меньше, а катионов - столько же. Тогда катионная решетка этого твердого раствора остается прежней, а в анионной появляются свободные места - вакансии. Пустые места в отрицательно заряженной решетке можно рассматривать как положительные заряды. Под действием внешнего напряжения в них начнут переходить анионы с достаточно большой энергией, а вакансии "побегут" в противоположном направлении. Возникнет электрический ток, обусловленный движением ионов только одного сорта. Это одна из особенностей твердых электролитов. Ионная проводимость тем выше, чем больше в кристалле вакансий. Однако с ростом их количества уменьшается подвижность анионов, причем довольно быстро, поэтому проводимость сначала достигает максимума, а потом начинает падать. Для твердых оксидных электролитов на основе ZrO2, например, максимум электропроводности соответствует концентрации катионов 10-15%.
Литий - ионный аккумулятор. При наложении электрического поля ионы лития выходят из анода и внедряются в материал катода, создавая ЭДС. При включении нагрузки происходит разрядка аккумулятора, и концентрации ионов лития на аноде и катоде выравниваются. После этого цикла требуется повторная зарядка системы. Напомним, что электродные материалы должны обладать смешанным, ионно-электронным, типом проводимости. Такому условию отвечают нестехиометрические ванадаты лития. Литий-ванадиевая бронза представляет собой фазу переменного состава, которая образуется при внедрении лития в “туннели” кристаллической структуры оксида ванадия. Сравнение структур бронз различных типов показывает, что наибольшей емкостью по литию обладает бронза типа Li1+xV+4xV+53–xO8.
Рис. Принцип работы аккумулятора.
Ионо- полимеро- металлические композиции (ИПМК). Свободные катионы под действием электрического поля сдвигаются к отрицательному электроду, деформируя эластичную консоль. Полимерные молекулы служат гибким барьером для ионов. Благодаря им ионы равномерно распределены внутри привода. Используется ИПМК для реализации захватов, махающих крыльев.
Ионная проводимость живой клетки. Структурно-функциональной единицей нервной системы является нервная клетка – нейрон. По оценкам, в нервной системе человека более 100 млрд. нейронов, которые связаны между собой в цепи. Типичный нейрон состоит из сомы, или тела клетки, содержащего ядро, и отростков, одного обычно неветвящегося – аксона, и нескольких ветвящихся – дендритов. Аксоны и дендриты покрыты клеточной мембраной и еще одной или двумя оболочками. Тела нейронов образуют скопления (нервные центры и узлы), а аксоны и дендриты, объединяясь в общей оболочке, формируют нервы. По аксону импульсы идут от тела клетки к так называемым эффекторам (мышцам, железам) или другим нейронам, а по дендритам – в тело клетки (от рецепторов или других нейронов). Соединение между аксоном одного нейрона и дендритом следующего – синапс. Синапсы генерируют тормозящие и возбуждающие сигналы после каждой фазы активации. Возбуждение означает логическое подключение, а торможение - отключение синапсов от соответствующих дендритов. Передача импульса обусловлена электрическими и химическими возмущениями.
Рис. Структура нейрона.
Широко распространена мембранная теория: концентрации ионов вне нейрона и внутри него не одинаковы. Клетки окружены тонкой мембраной весьма сложной структуры. Отдельные части мембраны обладают полупроводниковыми или ионоселективными свойствами - пропускают ионы одного знака или одного элемента (главным образом натрия и калия). Внутри клетки концентрация ионов калия намного больше, чем вне клетки, а концентрация ионов натрия - меньше. Нервная клетка в состоянии покоя заряжена изнутри отрицательно, а снаружи положительно. На мембране клетки имеется разность потенциалов (двойной электрический слой) – так называемый «потенциал покоя», 60-100 милливольт.
При раздражении нейрона некоторые из Na+ – каналов открываются в точке стимуляции, ионы натрия входят внутрь клетки, снижая до 15-20 милливольт отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны в области канала. Возникает «потенциал действия», то есть нервный импульс, который можно зарегистрировать. Как только положительная разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями мембраны достигнута, поток ионов натрия иссякает. В тот же миг открываются каналы для ионов калия, и потенциал сдвигается в отрицательную сторону. Это, в свою очередь, уменьшает проводимость по иону натрия, и потенциал в конце концов достигает значения потенциала покоя. Образующийся в клетке сигнал распространяется по аксону за счет проводимости находящегося внутри него электролита.
Возбуждение и сокращение мышцы связано с переносом ионов натрия и калия через мембрану, окружающую мышечное волокно. Природа потенциала действия здесь та же, что и в аксоне, только основную роль играют ионы кальция. После возбуждения концентрация кальция резко увеличивается; это вызывает сокращение миофибрилл, состоящих из параллельно расположенных тонких нитей - белка актина и толстых нитей - белка миозина. По окончании сокращения кальций выводится обратно.