Исследование влияния магнитных полей на суперионную проводимость

Известно, что все существующие вещества по своим электрофизическим свойствам подразделяются на следующие классы: проводники, диэлектрики и изоляторы. Говоря о проводниках мы имеем в виду прохождение электрического тока по структуре проводника в виде направленного движения электронов (проводники первого рода). Кроме того, распространенным явлением в природе является ионная электропроводность, например, в растворах или расплавах солей (проводники второго рода). Кроме того, деление на проводники и изоляторы не всегда оказывается неизменным. Так, некоторые классы веществ в одних случаях могут проявлять свойства изоляторов, но с изменением условий (термическое воздействие, влияние электрических и магнитных полей, влияние оптического и радиационного излучения ) свойства этих веществ изменяются – в них появляется проводимость по ионам или смешанная электронно-ионная проводимость.

К такому классу веществ относятся и суперионные проводники-материалы, проявляющие высокую электропроводность по ионам, которая резко (на 2 и более порядков) возрастает при температурах, близких к температуре плавления [1]. Это твердые тела с ионным строением. Особенностью их кристаллического строения является то, что регулярная кристаллическая решетка является как бы составной- из двух (или более) подрешеток, вставленных одна в другую. При определенных воздействиях в одной из подрешеток происходит процесс разупорядочения (структурный фазовый переход), ионы этой решетки приобретают высокую подвижность, как в расплавах. При этом вторая подрешетка сохраняет порядок и жесткий остов.

Необычно высокая проводимость для кристаллических минералов впервые была обнаружена М.Фарадеем в 1833 году. С этого времени многие исследователи вносили свой вклад в исследование этого явления и в настоящее время суперионные проводники широко используются в качестве базовых для многих технических и научных устройств: в конденсаторах сверхбольшой емкости (ионистерах), таймерах, надежных запоминающих устройствах, селективных датчиках, в солнечных батареях, в бытовых батареях ( всем уже известных литиевых батареях), топливных элементах, ионоселективных мембранах, средствах очистки воздуха, в преобразователях информации, в медицинском приборостроении- в батареях для кардиостимуляторов и в множестве других полезных устройств.

Исследование суперионного состояния создало новую, быстроразвивающуюся область науки- ионику твердого тела, а теперь уже и наноионику твердого тела [2]. Как и в любой новой области науки физика суперионного состояния ждет решения многих задач. Одной из важнейших задач в этом направлении является управление свойствами суперионной проводимости посредством воздействия различных факторов и подбор доступных для этих целей соединений. Уже сегодня синтезированы десятки продвинутых суперионных материалов проявляющих высокую ионную проводимость уже при комнатных температурах.Кроме того, эти вещества отличаются еще и необычностью теплофизических свойств [3].

В этой работе проведен анализ воздействие магнитных полей на суперионную проводимость с целью получения дополнительной информации о кинетике и динамике этого явления. Однако, таких исследований до настоящего времени проведено мало и в основном они посвящены исследованию электропроводности растворов электролитов, исследованию электрофизических свойств воды, полупроводниковых и полимерных материалов под воздействием магнитных полей. Показано определенное изменение величины электропроводности (увеличение) в зависимости от продолжительности воздействия, величины и направления магнитного потока. К примеру, исследований влияния магнитных полей на электропроводность полупроводников имеется достаточное количество. Замечено, что движение дырок в некоторых полупроводниковых материалах подвержено действию магнитного упорядочения при приложении продольного магнитного поля [3]. Исследований воздействия магнитного поля на электропроводность суперионных проводников пока представлено недостаточное количество [4-6], но они могли бы внести ясность в динамику подвижных ионов, а также дать информацию о возможности ионного эффекта Холла.

Электромагнитные свойства веществ характеризуют следующие электрофизические параметры: проводимость, удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость. Магнитное поле воздействует на подвижные электрические заряды с силой ( сила Лоренца)

F = qVB (1)

где q- заряд частицы, i9 - скорость частицы, B - индукция магнитного поля. Следовательно, чем мобильнее ионы и чем большим зарядом они обладают, и чем сильнее влияние поля тем заметнее и существеннее эффект.

Перенос ионов по каналам проводимости в структуре суперионного кристалла представляет собой ионный ток и, следовательно, вполне возможно для некоторых суперионных проводников ожидать различные эффекты от воздействия магнитных полей, а также существование ионного эффекта Холла. Напомним, что эффект Холла служит причиной возникновения внутреннего электрического поля (называемого полем Холла) в проводнике с током при приложении к нему перпендикулярно направленного внешнего магнитного поля. Эффект Холла был обнаружен для иодида серебра рубидия [4]. Ионный эффект был измерен в кристаллическом быстром ионном проводнике рубидия йодиде серебра RbAgI при температурах от 373 К до 473 К. Был использован новый вариант метода переменного E/переменного B, с переменным магнитным полем, подаваемым вращающимся постоянным магнитом 1 T. Установлено, что ценность мобильности Холла значительно меньше, чем сообщали ранее Т. Канеда и Э. Мидзуки [4]. В настоящее время установлено, что он идентичен подвижности дрейфа, полученной при предположении, что все ионы серебра в твердом электролите способствуют процессу проводимости. То же самое явление обнаружено для классического проводника быстрых ионов α-AgI. Тем не менее обнаруженное явление обладает добавочной информативностью о кинетике ионного переноса, т.к. позволяет измерять подвижность ионов, эффективную массу носителей заряда. Измерения Холловского напряжения VH позволяют определить плотность носителей заряда

IB     at     LI

П = -- = - = -- qVH  me  WVH

Здесь I - сила тока, q - заряд иона, m_e - эффективная масса заряженной частицы, J - плотность тока.

W = I                              (3)

Другим шагом в развитии исследований магнитного эффекта по отношению к химическим и физическим процессам было открытие воздействия на них не только внешнего магнитного поля, но и внутреннего, создаваемого ядрами реагирующих частиц в тех случаях, когда эти ядра обладают магнитным моментом. Это новое явление было названо магнитным изотопным эффектом. В отличие от классического изотопного эффекта, зависящего от масс изотопных ядер, новый эффект зависит от магнитных свойств ядер. Величина его может в десятки и сотни раз превосходить [14-15] воздействие классического эффекта. Однако таких исследований пока недостаточное количество. Поэтому для качественного и количественного анализа воздействия магнитных полей необходимы дальнейшие исследования.