1.15. Ионная электропроводность твердых тел.

В предыдущих параграфах рассматривалась электропроводность твердых тел, обусловленная движением электронов. Она характерна для металлов, полупроводников и некоторых твердых диэлектриков. Однако, среди твердых диэлектриков с широкими запрещенными зонами встречаются такие, слабая электропроводность которых обусловлена движением положительных или отрицательных ионов под действием внешнего электрического поля.

В тех случаях, когда электронная электропроводность дает намного больший вклад в ток, чем ионная, перемещение ионов может привести к изменению состава материала и, следовательно, к изменению его характеристик (деградации).

Ионами определяется и электропроводность жидкостей.

Ионная электропроводность твердых тел обусловлена дрейфом во внешнем электрическом поле как свободных ионов, входящих в состав основного вещества (собственная ионная электропроводность), так и дрейфом ионов примесей (примесная ионная электропроводность). Ионы примесей могут быть либо случайными, неконтролируемыми, либо введенными в вещество специально для увеличения его электропроводности.

Собственная ионная электропроводность в твердых телах наблюдается в ионных кристаллах при повышенных температурах, когда под действием тепловых колебаний кристаллической решетки отдельные ионы срываются со своих равновесных положений в решетке и попадают в междоузлия. Если энергия связи иона с решеткой Е_и, то вероятность “выбрасывания” его в междоузлие пропорциональна больцмановскому фактору

Следовательно, проводимость ионного кристалла как функция температуры должна описываться выражением

где ₀ - коэффициент, слабо зависящий от температуры в той области температур, где преобладает собственная ионная электропроводность. Зависимость, описываемая этим выражением, находится в хорошем согласии с экспериментальными данными.

При комнатной температуре электропроводность ионных кристаллов определяется в основном примесями, поскольку энергия связи примесных ионов с решеткой, как правило, намного меньше, чем энергия Е_и .

В кристаллических диэлектриках, решетка которых построена из нейтральных атомов или молекул, а также у большинства аморфных твердых тел ионная электропроводность только примесная.

Электронная электропроводность не приводит к каким-либо химическим изменениям в веществах. Ионная же электропроводность сопровождается переносом положительных и отрицательных ионов на соответствующие электроды. Отрицательные ионы отдают избыточные электроны на аноде, а положительные ионы получают недостающие электроны на катоде. При этом образуются нейтральные атомы или молекулы вблизи электродов. Эти атомы или молекулы могут выделяться на электродах, химически взаимодействовать с электродами. Выделение вещества на электродах при протекание ионного тока называют электролизом.

Лекция 8.