ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Методические указания к лабораторной работе №4
по дисциплинам «Материаловедение и материалы электронных средств» и «Материаловедение в приборостроении»
КУРСК 2000
Составители: Е.А. Спирин, О. Е. Ключникова
УДК 621.382
Исследование температурной зависимости электрической проводимости твёрдых диэлектриков: Методические указания к лабораторной работе №4/ Курск. гос. техн. ун-т.; Сост.: Е.А. Спирин, О.Е. Ключникова. Курск, 2000. 10 с.
Излагаются основные понятия и определения и методические рекомендации по подготовке к выполнению лабораторной работы, её проведению и оформлению результатов опытов.
Предназначены для студентов специальности 220500 «Конструирование и технология ЭВС» и 190500 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».
Ил. 6. Табл. 1. Прилож. 1. Библиогр.: 3 назв.
Рецензент канд. техн. наук, профессор кафедры «Конструирование и технология ЭВС» А.И.Морозов.
Текст печатается в авторской редакции.
ЛР № 020280 от 9.12.96 ПЛД № 50-25 от 1.04.97.
Подписано в печать. Формат 60 х 84 1/16. Печать офсетная.
Усл.печ.л. 0,99. Уч.-изд.л. 1,07. Тираж 50 экз. Заказ.
Курский государственный технический университет.
Подразделение оперативной полиграфии Курского государственного
технического университета.
Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 305040
Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментальное исследование зависимости электрической проводимости твёрдых диэлектриков от температуры и расчёт некоторых характеристик диэлектриков и конденсаторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электрическая проводимость твёрдых диэлектриков как величина, количественно характеризующая электропроводность, зависит от их химического состава, структуры и условий, в которых проводятся измерения (температуры, направленности электрического поля и др.) Электропроводность диэлектриков может быть обусловлена перемещением ионов и электронов. В некоторых диэлектриках, например в титанате бария (
), преобладает электронный тип проводимости. Но у большинства используемых твёрдых диэлектриков в слабых электрических полях проводимость обусловлена движением ионов. Участие электронов в электропроводности этих диэлектриков наблюдается только в сильных электрических полях.
Удельная электрическая проводимость 
диэлектрика
, (2.1)
где 
- заряд иона;
– концентрация ионов, участвующих в электропроводности, в единице объёма диэлектрика;
– дрейфовая подвижность этих ионов.
Концентрация и подвижность ионов зависят от температуры. Следовательно, удельная электрическая проводимость диэлектрика является функцией температуры.
Механизм ионной проводимости твёрдых диэлектриков.
В твёрдом теле ион взаимодействует с окружающими его заряженными частицами. Энергия этого взаимодействия 
зависит от положения иона (от его координаты 
) относительно окружающих частиц и от зарядов ионов, т.е. от химического состава и структуры вещества (рис. 2.1). Каждый ион стремится занять положение, которому соответствует минимум потенциальной энергии.
Положение 1 на рис. 2.1 соответствует иону, который находится в узле кристаллической решётки. Потенциальная энергия его минимальна и равна 
. Для выхода из потенциальной ямы ион должен преодолеть потенциальный барьер высотой 
. Энергия 
называется энергией активации собственных ионов диэлектрика.
В реальных диэлектриках практически всегда имеются ионы примеси. Они сравнительно слабо закреплены (положение 2 на рис. 2.1)
Для их выхода из потенциальной ямы необходима энергия активации 
значительно меньшая, чем (см. рис 2.1). Аналогично ведут себя ионы основного вещества, располагающиеся вблизи дефектов кристаллической решётки и в междоузлиях.
Рис 2.1. Зависимость потенциальной энергии иона твёрдого диэлектрика от координаты в электрическом поле окружающих заряженных частиц
Движение ионов в твёрдом теле рассматривают как их тепловое освобождение из потенциальной ямы и переход в другую потенциальную яму. В отсутствии внешнего электрического поля переходы ионов за счёт тепловой энергии по всем направлениям равновероятны. Так, например, для перехода иона из положения 1 в направлениях 
и 
нужно преодолеть барьер одной и той же высоты , а для перехода примесного иона – барьер . Хаотичное движение ионов не приводит к появлению электрического тока.
При воздействии на диэлектрик внешнего электрического поля каждый ион обладает потенциальной энергией в этом поле, равной 
, где – заряд иона, а потенциал электрического поля в точке расположения иона. Если поле в диэлектрике равномерное, то потенциал изменяется с координатой по линейному закону и зависимости от координаты имеет вид, представленный на рис 2.2
Рис 2.2. Зависимость потенциальной энергии иона от координаты во внешнем поле и в электрическом поле окружающих заряженных частиц 
Просуммировав обе составляющие потенциальной энергии иона, получим для потенциалной энергии иона график, представленный на рис. 2.3.
Высота потенциальных барьеров при перемещении ионов в направлениях и теперь не одинаковая 
. Следовательно, возрастает вероятность перемещения положительных ионов в направлении вектора напряжённости электрического поля 
, а отрицательных ионов – в противоположном направлении, и в диэлектрике появляется электрический ток.
Рис 2.3. Зависимость потенциальной энергии иона от координаты в твёрдом теле при воздействии равномерного электрического поля