電子電導

電子電導研究背景

分布作用速調(diào)管(EIK)作為一種新型微波源器件，因其在高頻段具有高功率與高效率的特點，正被深入地研究。EIK的核心技術(shù)是采用多間隙耦合腔作為高頻電路。多間隙腔提高了電路的特性阻抗，從而提高了間隙中注波互作用效率，并增加了帶寬。由于間隙間相互耦合使得諧振腔模式增加，這些模式的存在和互相干擾會影響速調(diào)管的正常工作，尤其當非工作模式不穩(wěn)定時，更會嚴重影響速調(diào)管的工作特性。因此對多間隙腔的模式及其穩(wěn)定性的分析非常重要。

電子電導是反映間隙注波互作用過程中電子注與電路高頻場能量交換的重要參量。對電路穩(wěn)定性的分析足以通過間隙電子電導的正負來判斷電路是否陷于正反饋，并因此采取措施進行抑制。對于多間隙腔，通常將耦合腔等效為一個間隙來計算電子電導。但多間隙腔中電子注在每個間隙都與高頻場進行注波相互作用，在每個間隙上體現(xiàn)出不同的電子負載效應(yīng)，整體的電子電導無法反映單個間隙中的注波互作用機理，也不能對間隙中的模式穩(wěn)定性進行深入分析。為進一步研究多間隙耦合腔中的注波互作用機理及更加深入細致地分析間隙模式的穩(wěn)定性，也為了發(fā)展EIK注波互作用計算模型，需要研究在單個間隙上的注波互作用與電子負載效應(yīng)。研究利用空間電荷波理論，以三間隙耦合腔為例，推導了耦合腔中每個間隙電子電導的計算公式。利用各個模式的電子電導，進行了多間隙耦合腔的模式穩(wěn)定性分析。建立了仿真模型，分析了耦合腔中各個間隙模式的注波互作用特性及電子電導的變化趨勢。

電子電導理論分析

根據(jù)空間電荷波理論，快波和慢波與間隙中高頻場進行互作用，產(chǎn)生能量交換，它們在注波互作用中的影響不同?？觳ǖ南嗨俑哂陔娮幼⒌南嗨?，導致電子注吸收功率，使電子電導為正值。而慢波相速低于電子注相速，其互作用導致電子注放出功率，使電子電導為負值。由電子電導計算式得到，當快波在與某一模式的間隙場互作用中占據(jù)主導時，即其耦合系數(shù)M(β₁)與相位因子F(β₁)的乘積大于慢波時，電子電導為正，該模式處于穩(wěn)定狀態(tài)。反之當慢波占主導時，電子電導為負值，則電路陷于正反饋，容易產(chǎn)生自激導致不穩(wěn)定。電子注中的快慢波與各個模式場的同步及耦合作用共同決定了模式的穩(wěn)定性。由于各個模式參數(shù)不同，導致其與電荷波中的快波或慢波的互作用中強弱關(guān)系也不同，所以模式穩(wěn)定特性也不同。合理選擇電子注參數(shù)及間隙參數(shù)，可以使諧振腔各個模式的間隙電子電導都為正，從而使電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)的正常工作。

電子電導研究結(jié)論

研究利用空間電荷波小信號理論，建立了多間隙耦合腔中單個間隙電子電導的計算模型，并用來進行了間隙注波互作用及穩(wěn)定性分析。以三間隙耦合腔為例進行了計算與分析，結(jié)果顯示：不同模式的各個間隙電子電導不同，Ge₃/G₀受注電壓及間隙距離影響最大，其對注波互作用及電路穩(wěn)定特性的影響也最大;對于2π模式，當間隙距離渡越角為2π左右時，電路各模式處于穩(wěn)定，但在實際設(shè)計中還要綜合考慮注波互作用效率。本計算模型可以更加深入地分析間隙注波互作用過程與電路的模式穩(wěn)定性，還可以用于多間隙腔注波互作用的計算機模擬仿真。但本模型僅限于討論3個間隙，對更多間隙情況，由于其互作用過程的復雜及間隙模式的增多，尚難以深入分析，需要更進一步的研究工作。

氧化鋯固體電解質(zhì)在實際中的應(yīng)用，主要就是利用它的離子導電特性。但在高溫或低氧分壓的情況下，電解質(zhì)晶體正常結(jié)點上的氧(O₀)具有變成氧分子向氣相逸出的趨勢，并在電解質(zhì)中留下氧離子空位(V₀^。。)和自由電子(e)，固體電解質(zhì)從而表現(xiàn)出較為明顯的電子電導，即：O₀=1/2O₂ V₀^{。。} 2e

如果電子電導大于固體電解質(zhì)總電導的1%，則此類固體電解質(zhì)不能用于熱力學參數(shù)的準確測量。固體透氧膜(SOM)法用于金屬氧化物直接制備金屬所用透氧膜材料主要為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)固體電解質(zhì)。其高溫電子電導數(shù)據(jù)對于研究SOM法反應(yīng)機理及反應(yīng)速率等參數(shù)有著重要的意義，因此，獲得高溫下YSZ電子電導率的數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)固體電解質(zhì)的電子電導測試方法一般采用電子導電特征氧分壓來表征電子電導，如抽氧測定法，其裝置復雜且實驗誤差較難控制，因此不適用于諸如YSZ類電子電導較低的材料。常用的Wagner直流極化法可以得到較為精確的電子電導率，其難點在于離子阻塞電極的制備。本實驗就是基于Wagner直流極化法，通過一種新方法在YSZ陶瓷材料上制備離子阻塞電極，對其電子電導進行了直接測量，并研究了影響電子電導率的因素。

電子電導電子電導測試實驗

（1）測試原理

Wagner直流極化法的原理采用不對稱電池設(shè)計。一端為可逆電極，另一端是離子阻塞電極。在該電池上施加低于電解質(zhì)分解電壓的電勢時，阻塞電極界面上殘余氧離子流通過電解質(zhì)遷移至正極，但因阻塞電極切斷了氧離子源而導致電解質(zhì)中離子流很快下降。

當電位梯度產(chǎn)生的離子流和因濃度梯度引起的化學擴散離子流相等時，離子電流降為0，此時總電流只由電子或電子空穴產(chǎn)生。

（2）阻塞電極

根據(jù)Wagner直流極化法的原理，本實驗所選擇的是對電子導通而對氧離子傳導阻塞的離子阻塞電極。研究 曾嘗試用金屬銅作為離子阻塞電極，但因金屬銅的熔點溫度所限，使得該法只能用來測量材料的低溫電子電導?，F(xiàn)有方法在金屬與陶瓷結(jié)合時，通常采用噴涂和涂覆的方式，因此阻塞電極實際上難以真正與陶瓷基體緊密結(jié)合，漏氧問題較難解決，從而導致測試誤差偏大。

本研究基于已有電子電導測量的低溫局限性，提出了采用金屬鎳作為阻塞電極的研究思路。金屬鎳的熔點很高(1453℃)，所以理論上可用于高溫下固體電解質(zhì)的電子電導測量；而針對金屬與陶瓷基體結(jié)合不夠緊密導致的漏氧問題，擬采用化學鍍結(jié)合電鍍的工藝?；瘜W鍍的粗化過程中，濃酸對固體電解質(zhì)陶瓷材料表面進行了刻蝕，金屬鎳粒在沉積的過程中滲入陶瓷表層，這樣不僅增加了金屬鎳與陶瓷材料結(jié)合表面積，還加強了兩者間的結(jié)合力;在此基礎(chǔ)上再結(jié)合電鍍的工藝，最終可獲得致密的金屬鎳層。

電子電導實驗結(jié)果

電子的遷移數(shù)取決于該反應(yīng)式中的氧空位數(shù)量。氧空位數(shù)量低，則反應(yīng)易發(fā)生(向右進行)；反之則不易發(fā)生。由此可以看出，高溫條件下氧化鋯試樣的電子遷移數(shù)量與材料中的自由氧空位數(shù)量呈反比關(guān)系。在相同實驗條件下，3YSZ形成的自由氧空位數(shù)量較低，該反應(yīng)較易發(fā)生，導致試樣中較大的電子遷移，而9YSZ為全穩(wěn)定狀態(tài)，氧空位數(shù)量相對較高，因此其電子遷移數(shù)較小，15YSZ中，越來越多的Y³ 取代Zr⁴ ，這樣使得原先處于次近鄰位置的氧空位變成最近鄰而發(fā)生復合，實際上卻減少了自由氧空位的數(shù)量，因此上式反應(yīng)較易發(fā)生，使得電子遷移數(shù)反而大于9YSZ。

電子電導研究結(jié)論

使用化學鍍結(jié)合電鍍的方法可以利用金屬鎳作為阻塞電極，從而獲得較高溫度下YSZ材料的電子電導率值。基于Wagner直流極化法原理測試得到了不同摻雜的YSZ材料電子電導率值，實驗中測得的試樣電子電導率與溫度關(guān)系為：

3YSZ：lnσT=3.18-6795/T

5YSZ：lnσT=2.28-6790/T

9YSZ：lnσT=0.42-7449/T

15YSZ：lnσT=1.49-7226/T2100433B

在電子電導的材料中，電子的非彈性碰撞引起電子波的散射是電子運動受阻的原因。無機材料中電子電導比較顯著的材料主要是半導體材料。

（1）電子電導率的一般公式

與離子電導率一樣，電子電導率仍可按公式

本征半導體的電子電導率為：

式中：

n型半導體的電子電導率為：

p型半導體的電子電導率為：

（2）電子電導率的影響因素

①溫度的影響

溫度對電子電導率的影響包括對遷移率的影響和載流子濃度的影響，而對后者的影響是主要的。

②雜質(zhì)及缺陷的影響

大多數(shù)半導體氧化物陶瓷，或者由于摻雜產(chǎn)生非本證缺陷（雜質(zhì)缺陷），或由于燒成條件使它們成為非化學計量而形成組分缺陷。

電導率儀是適用于精密測量各種液體介質(zhì)的儀器設(shè)備,主要用來精密測量液體介質(zhì)的電導率值,當配以相應(yīng)常數(shù)的電極可以精確測量高純水電導率，廣泛應(yīng)用各領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)。

電導率計用途與特點

電導率儀是實驗室電導率測量儀表，它除能測定一般液體的電導率外，且能滿足測量高純水的電導率的需要。儀器有0~10mV訊號輸出，可接自動電子電位差計進行連續(xù)記錄。

電導率計工作原理

在電解質(zhì)的溶液中，帶電的離子在電場的影響下，產(chǎn)生移動而傳遞電子，因此，具有導電作用。其導電能力的強弱稱為電導度S。因為電導是電阻的倒數(shù)，因此，測量電導大小的方法，可用兩個電極插入溶液中，以測出兩個極間的電阻R。據(jù)歐姆定律，溫度一定時，這個電阻與電極的間距L（cm）成正比，與電極的截面積 A（cm ）反比。

電導率計技術(shù)指標

1、顯示方式

2、測量范圍

3、分辨率

4、電極常數(shù)

5、溫補范圍

6、精 度

7、電流隔離輸出

8、通訊接口

9、工作電源范圍

10、電極安裝方式

電導率計使用方法

1、檢查一下指針是否指零，如果不指零調(diào)節(jié)電導率儀上的調(diào)零旋鈕，

2、將電導率儀調(diào)節(jié)到校正檔，指針指向最大刻度，

3、按照電極常數(shù)調(diào)節(jié)旋鈕，測量時調(diào)節(jié)到測量檔。

電導率計注意事項

1． 電極的引線不能潮濕，否則將測不準。

2． 高純水被盛入容器后應(yīng)迅速測量，否則電導率降低很快，因為空氣中的溶入水里變成碳酸根離子。 　3． 盛被測溶液的容器必須清潔，無離子玷污。2100433B

電導是描述導體導電性能的物理量，即對于某一種導體允許電流通過它的容易性的量度。電導數(shù)值上等于電阻的倒數(shù)，符號是G。電導單位是西門子，簡稱西，符號S。導體的電阻越小，電導就越大 。

對于純電阻線路，電導與電阻的關(guān)系方程為G=1/R，由此可以得到歐姆電導定律的關(guān)系方程：G=I/U 。