Экспериментальные методы проверки ионной проводимости твёрдых тел

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

А В. Кормилец, Т. А. Аронова

Омский государственный университет путей

сообщения, г. Омск, Россия

Аннотация. В связи с тем, что технологии беспроводной передачи электрической энергии пока не получили повсеместного применения, приходится использовать различные проводники, что вызывает необходимость классификации и определения их свойств, в частности их проводимости. В данной обзорной статье рассмотрены основные методы определения проводимости твёрдых тел, указаны основные аспекты и собраны рекомендации по наилучшему осуществлению измерений. Методы классифицированы в зависимости от необходимости применения электродов или отсутствия таковой. Данные методы имеют широкие возможности для применения на практике, так как могут быть осуществлены вне лабораторий и не требуют большого количества условий.

Ключевые слова. Электропроводность, двухэлектродный метод, трёхэлектродный метод, зондовый метод, тепловой шум.

электрод проводимость тело твердый

Интенсивное развитие электротехники в современном мире спровоцировало широкую потребность в глубоком понимании свойств электропроводящих материалов, и потенциальных возможностей практического применения последних. В военной и космической промышленности обнаружились потребности в разнообразных клеях, красках, пастах и множестве других покрытий, способных проводить электрический ток, а так же экранирующих панелей.

Физический параметр, отвечающий за способность тела или среды проводить электрический ток, в научной литературе именуется электропроводностью. На практике же при работе с реальными образцами чаще применяются такие термины как: удельное объёмное электрическое сопротивление и удельное поверхностное электрическое сопротивление. В данном случае применительно к исследуемому телу под этими терминами понимается отношение напряжения к току, протекающему по объёму образца или же по его поверхности. При измерении удельных сопротивлений принято пользоваться системой вольтметр-амперметр.

Для исследования различных параметров образцов, их структуры, химического состава, молекулярной подвижности и, конечно же, электропроводности отлично подходят электрические методы. Измерительные электроды должны обеспечивать равномерное распределение электрического поля в исследуемом теле. Добиться этого можно подходящей формой электродов, обычно это дискообразная конфигурация. Допустимый зазор между электродом и охранным кольцом (при наличии такового) должен составлять приблизительно 2 миллиметра. Для обеспечения лучшего контакта электродов с образцом рекомендуется использовать отожженную алюминиевую фольгу для притирки, применять покрытия из графита, так же не лишним будет предварительное шлифование металлических электродов[1,2].

Двухэлектродный метод. Двухэлектродный метод, так же известный как биполярный метод, является достаточно простым и надёжным. Чаще всего при измерении используют ЭХЯ (электромеханические ячейки), они представляют собой образец с инертными по отношению к токопроводящим частицам электродами. При этом с особым вниманием нужно отнестись к сопротивлению гетерофазного контакта электрода с электролитом. Величина этого сопротивления обусловлена эффектами пограничной поляризации, природой электродов, способом их нанесения, а так же окружающей атмосферой и рядом других факторов. Для обеспечения корректной работы данного метода необходимо следить за тем, чтобы полное электрическое сопротивления контактов было ниже, чем сопротивление образца, а так же были правильно подобраны электроды, особенно при измерении характеристик образцов, обладающих малым сопротивлением. В данном случае рекомендуется подбирать обратимые электроды.

В данном методе напряжение, либо постоянное, либо переменное прикладывается к образцу, размещённому между двух электродов, что позволяет измерить сопротивление электромеханической ячейки. Однако нужно помнить, что при наложении постоянного напряжения должен отсутствовать сдвиг фаз между этим напряжением и током, другими словами нужно использовать обратимые контакты. Если исследуемое тело обладает большим сопротивлением, рекомендуется использовать охранные кольца, разрешающие проблемы, связанные с токами утечки [3,4]. Определение объёмного активного сопротивления образца позволяет рассчитать проводимость последнего. Из-за некоторого расхождения выводов теории и экспериментальных данных принято учитывать геометрические параметры образца [5], а поправки могут достигать 30%. Поэтому на практике двухэлектродные ячейки получили очень широкое применение с использованием переменного тока.

Трёхэлектродный метод. Данный метод используется в случае необходимости измерения истинного объёмного или поверхностного сопротивления образца [4]. Суть всего метода заключена в определении токов, протекающих через образец или же по его поверхности при подаче напряжения. Возможны два случая осуществления соединения. В первом случае экран провода и охранное кольцо соединяют с полюсом источника тока и последний, при протекании между электродами по поверхности образца, не складывается с измеряемым током. Второй способ позволяет измерить поверхностное сопротивление, для этого поверхностный ток нужно пустить через гальванометр, а для тока идущего по объёму исключить гальванометр из цепи. В литературе описан случай одновременного измерения поверхностной и объёмной проводимостей [6].

Четырёхэлектродный (зондовый) метод. Четырёхэлектродный или по-другому: зондовый метод позволяет исключить эффекты, создаваемые электродным сопротивлением, а значит, и снизить погрешность измерений. На образец накладываются четыре электрода. По краям два «токовых» электрода (так же они зовутся внешними, по ним будет протекать ток), а между ними два ножевых или узкополосных, поперечных «потенциальных» электрода или «потенциометрических». Затем к токовым электродам, последовательно с амперметром, будет подключен источник постоянного напряжения, а к потенциальным - электромер. Для корректности измерений необходимо следить за тем, чтобы входное сопротивление электромера значительно превышало возможное контактное сопротивление. Токовые электроды изготавливаются из меди или латуни. Потенциометрические электроды изготавливают из резины и оборачивают отожженной свинцово-оловянной фольгой. В случае проявления у образца анизотропии, сопротивление измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях (как правило, вдоль и поперёк оси вытянутости), а в качестве конечного результата принимают среднее арифметическое. На практике наилучшую реализацию метода обеспечивает использование минимальных токов.

Четырёхэлектродный метод имеет ряд недостатков. Ограниченность его использования связана с возможностью несоответствия формы образца необходимой конфигурации (типичной формой для образца является вытянутая пластина) и трудностями в образовании точечных электродов-зондов в случаях исследования не стандартизированных образцов. Хотя в литературе описан усовершенствованный метод Ван-дер-Пува, позволяющий производить измерение удельного сопротивления у образцов любой формы [7,8]. Так же, в случае использования в качестве «потенциальных» электродов их протяжённый вариант, возникают трудности при определении эффективного межэлектродного расстояния, в силу отсутствия единого и общепринятого способа его определения [9]. Однако стоит отметить, что если толщина пластины намного меньше ширины электрода, то можно учитывать в расчётах расстояние между ближайшими краями, ведь такой электрод полностью закорачивает соответствующую область. В противном же случае, когда толщина пластины намного больше ширины электродами, уместным будет использовать расстояние между центрами электродов, одна не исключается вариант и промежуточного метода, то есть включают в расчёт лишь 25% от ширины электрода [3,6].

Несмотря на множество факторов, не позволяющих назвать данный метод близким к идеалу, например такие, как: невозможность создания идеальных «точечных» контактов, неравномерность отвода тепла с поверхности образца и низкий уровень входного сопротивления вольтметра, на практике удаётся свести систематическую погрешность до уровня 5%.

Многоэлектродный метод. Многоэлектродным называется любой метод, где используется больше 4 электродов. Чаще всего применяется для исследования плёночных образцов твёрдых электролитов при создании ячеек плоской конфигурации. Заключается данный метод в измерении сопротивлений и потенциала самопроизвольной поляризации. В данном методе измерение сопротивления осуществляется при фиксированной частоте переменного тока на различных секциях образца, иными словами, при разных расстояниях между используемыми электродами. Ошибочно полагать, что большое количество электродов обеспечивает более высокую точность.

Измерения с помощью теплового шума. При тепловом равновесии, броуновское движение заряженных частиц, как правило, приводит к флуктуирующей ЭДС между концами любого сопротивления. Спектр данных флуктуаций вычислил один из пионеров теории информации - Гарри Найквист. Он показал, что спектр является универсальной функцией сопротивления. Значение действительной части комплексного сопротивления определяет напряжение шумов. Из-за отсутствия физического смысла теплового равновесия для реактивных сопротивлений, последние не генерируют тепловой шум. Шумы, возникающие в областях границ между электродом и электролитом, могут быть применены для анализа электрохимических процессов на электродах.

Бесконтактные методы измерения проводимости. Все рассмотренные ранее методы измерения проводимости предполагали применение внешних контактов. При использовании таких методов приходится мириться с трудностями определения истинного объёмного сопротивления образца из-за поляризационных эффектов на границах между электролитом и электродом. Однако бесконтактные методы позволяют полностью избежать этих трудностей.

Суть всех бесконтактных методов заключается в наведении вихревых токов внутри образца в изменяющемся магнитном поле. Осуществить измерение электропроводности твёрдых электролитов можно двумя способами: либо поместить образец про вращающееся магнитное поле, либо в катушку индуктивности.

Во вращающемся магнитном поле измерение проводимости основано на измерении величины момента сил, действующих на образец. В нём возникают индуцированные вихревые токи с разной амплитудой, величина которой зависит от электропроводимости образца. Возникающие токи вступают во взаимодействие с магнитным током, что и создаёт крутящий момент, который необходимо зафиксировать. Момент сил для сферического проводника рассчитал ещё Герц в начале 19 века. Если образец имеет более асимметричную конфигурацию, то для него расчёт значительно усложняется [10], также размеры стоит выбирать таким образом, чтобы была возможность пренебречь влиянием эффекта самоиндукции.

Методы с участием катушки индуктивности основаны на изменении её полного сопротивления при внесении в неё образца. Вносимый образец вступает во взаимодействие с магнитным полем катушки, вследствие чего изменяется комплексное сопротивление катушки индуктивности, в зависимости от проводимости материала образца.

Библиографический список

1. Ковнев А.В., Гоффман В.Г., Гороховский А.В. Импедансная спектроскопия полититаната калия, модифицированного солями кобальта. // Электрохимическая энергетика. 2014. Т. 14, №3. С. 149 - 157

2. Кревчик В.Д., Семёнов М.Б., Филатов Д.О. Ионный и туннельный механизмы проводимости для растущих квантовых точек из коллоидного золота // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2015. № 3(35). С. 214 - 217

3. Куншина Г.Б., Ефремов В.В., Белявский А.Т. Изучение ионного переноса в твёрдых электролитах со структурой NASICON методом импедансной спектроскопии // Труды Кольского научного центра РАН. 2015. № 5(31). С. 105 - 110

4. Лупицкая Ю.А., Филоненко Е.М., Калганов Д.А. Синтез и ионная проводимость в соединениях церата бария при частичном замещении ионов церия на ионы редкоземельных элементов // Вестник Челябинского государственного университета. 2015. № 22(377). С. 64-69

5. Федоренко Я.Г. Электронная проводимость в плёнках селенида теллурида германия при ионной имплантации висмута // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2015. Т. 1, № 1(78). С. 53 - 59

6. Голованов О.А., Макеева Г.С., Вареница В.В., Горелов Р.А., Расчет эффективности управления проводимостью графена действием электрического поля в терагерцовом диапазоне частот // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2015. Т.18, № 2. С. 27-32

7. Козлова М.В., Алибеков С.Я., Электрические контакты с высокой удельной проводимостью. Научному прогрессу - творчество молодых: материалы IX международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам: в 3 частях. 18-19 апреля 2014 г. Йошкар-Ола 2014. С. 257 - 259

8. Воронин В.И., Блатов В.А., Шехтман Г.Ш. Особенности кристаллической структуры полиморфных модификаций KFEO2 и их связь с ионной проводимостью. // Физика твёрдого тела 2013. Т 55, № 5. С. 968-974

9. Зверева О.С., Козлова М.В. Композиционный материал на основе меди с высокой удельной электрической проводимостью. Наука и образование: инновации, интеграция и развитие. Материалы Международной научно-практической конференции: в 2-х частях. 29-30 апреля 2014 г. Уфа 2014 г. С. 181 - 183

10. Букун Н.Г., Графов Б.М., Добровольский Ю.А. Фундаментальные проблемы ионики твёрдого тела // Электрохимия. 2011. Т. 47, № 4. С. 403

Размещено на Allbest.ru