Электропроводность (электрическая проводимость, проводимость)
Электропроводность (электрическая проводимость, проводимость) — способность вещества пропускать электрический ток под действием электрич. поля, а также физ. величина, количественно характеризующая эту способность. Э. обусловлена присутствием свободных носителей заряда в твёрдом теле, направленное движение к-рых и есть электрич. ток.
В однородных изотропных проводниках плотность электрического тока j в данной точке связана с напряжённостью электрич. поля в той же точке Ома законом постоянный коэф. пропорциональности а наз. Э. или уд. Э., или проводимостью. Единицей измерения Э. в СИ служит
в физике чаще используется
в системе СГСЭ и в Гаусса системе единиц Э. имеет размерность, обратную времени, и единицей Э. является
В анизотропных проводниках, напр, в монокристаллах, Э. для разных направлений может быть различной. Это приводит к неколлинеарности векторови тензорной связи между ними:
Э. в этом случае описывается тензором второго ранга sik. Тензор Э. удовлетворяет соотношениям Онсагера (см. Онсагера теорема)
т. е. является симметричным [при наличии магн. поля
эти соотношения принимают вид:
т. е. симметричность тензора Э. нарушается].
Вблизи состояния термодинамич. равновесия гл. значения тензора Э.положительны, что является следствием закона возрастания энтропии (см. Второе начало термодинамики). В общем случае зависимость
нелинейна, т. к.
зависит от
в этом случае вводят понятие диффе-ренц. Э.
(в случае анизотропного проводника
). В сильно неравновесных условиях (сильное электрич. поле, интенсивное освещение) дифференц. Э. в нек-рой области электрич. полей может стать отрицательной (см. Отрицательное дифференциальное сопротивление ).Теоретич. анализ показывает, что в нек-рых особых неравновесных ситуациях возможна отрицат. полная Э.
(это означает, что векторы электрич. поля и плотности тока антипараллельны, т. е. ток течёт навстречу полю).
В случае диспергирующей среды связь между не имеет указанного выше простого вида, а носит нелокальный характер: значение плотности тока в данной точке
в момент времени t определяется не одним лишь значением
а значениями
во всех точках проводника во все предшествующие t моменты времени и описывается интегральным соотношением. Если проводящая среда линейна (её свойства не зависят от напряжённости электрич. поля), стационарна (свойства не зависят явно от времени) и пространственно однородна, то существует простая связь между пространственно-временными фурье-образа-ми функций
В таком случае говорят об Э., зависящей от частоты (временная дисперсия) и волнового вектора
(пространственная дисперсия). Величина
в общем случае комплексна, её действительная и мнимая части связаны дисперсионными соотношениями, аналогичными Крамерса — Кронига соотношениям. Э. связывается с корреляционными функциями токов Кубо формулами.
Э. связана с подвижностью носителей заряда ц соотношением где q — заряд носителя, п — концентрация носителей. В случае, когда Э. осуществляется неск. сортами носителей, характеризующимися зарядами
по-движностями
и концентрациями
полная Э. равна сумме парциальных Э.:
Физ. механизм, величина и температурная зависимость Э. лежат в основе классификации твёрдых тел на диэлектрики, полупроводники и металлы .Диэлектрики в равновесном состоянии характеризуются отсутствием свободных электронов, Э. в них осуществляется посредством перескоков собств. или примесных ионов между соседними узлами кристаллич. решётки или междоузлиями и носит активац. характер, экспоненциально возрастая при повышении температуры по закону
где Е,—энергия активации Э.; коэф. стс зависит от температуры, но значительно слабее, чем экспоненц. множитель. Э. диэлектриков варьирует в диапазоне от 1(Г 18 до 10″ 8 Ом» 1 -см» 1 при комнатной температуре. В сильных элек-трич. полях Э. диэлектриков сильно возрастает.
В полупроводниках Э. осуществляется движением электронов проводимости и дырок (см. Зонная теория ),подвижность к-рых на много порядков превышает подвижность ионов. В соответствии с этим Э. у полупроводников намного больше, чем у диэлектриков; она составляет при комнатной температуре 10~ 7 —10 3 Ом» 1 -см» 1 и сильно зависит от хим. состава и наличия примесей. Температурная зависимость Э. полупроводников определяется в осн. быстрым повышением концентрации электронов и дырок с ростом температуры, описываемым экспоненц. законом (2); подвижность при этом также меняется, но обычно значительно медленнее, по степенному закону. В неупорядоченных полупроводниках возможна также прыжковая проводимость. Э .полупроводников сильно зависит от внеш. воздействий (магн. поля, освещения, ионизирующего облучения, давления и др.).
Металлы характеризуются высокой (сравнимой с числом атомов в единице объёма) концентрацией носителей заряда, с чем связана их высокая Э. (10 4 —10 6 Ом» 1 -см» 1 при комнатной температуре). Концентрация носителей в металлах отлична от нуля даже при абс. нуле, температурная зависимость Э. обусловлена изменением (увеличением) длины свободного пробега (и, следовательно, подвижности) носителей при понижении температуры. При низких темп-pax Э. многих металлов и сплавов становится бесконечной (см. Сверхпроводимость ).Э. металла связана с его теплопроводностью Видемана—Франца законом. Величина Э. определяет глубину проникновения эл—магн. поля в проводник (см. Скин-эффект)и время релаксации объёмного заряда.
Существует ряд явлений, родственных Э., в к-рых перенос носителей заряда осуществляется не электрич. полем, а градиентом температуры (см. Термоэлектрические явления ),звуковыми волнами (см. Акустоэлектрический эффект ), световым излучением (см. Увлечение электронов фотонами)и т. п. Э. жидкостей, газов и плазмы обладает рядом особенностей, отличающих её от Э. твёрдых тел (см. Электрические разряды в газах, Электрический пробой, Электролиз).
Знаете ли Вы, что такое «усталость света»?
Усталость света, анг. tired light — это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, «пустому пространству», так как он является реальной физической средой — носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект «старения света» или «красное смещение Хаббла» обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
ЭЛЕКТРОПРОВО́ДНОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИ́ТОВ
ЭЛЕКТРОПРОВО́ ДНОСТЬ ЭЛЕКТРО Л И́ТОВ, способность растворов или расплавов электролитов проводить электрич. ток ( проводимость электрическая ) при приложении электрич. напряжения. Обусловлена движением катионов и анионов, образующихся в результате электролитической диссоциации . Э. э. сопровождается переносом вещества к электродам и образованием вблизи них новых соединений ( электролиз ).
Влияние некоторых одно- и двухвалентных примесей на радиационное изменение электропроводности щелочно-галоидных кристаллов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»
Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — М. И. Игнатьева, Л. И. Рощина
ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИИ НА КИНЕТИКУ НАКОПЛЕНИЯ F-ЦЕНТРОВ В ЧИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ ДВУХВАЛЕНТНЫМИ ПРИМЕСЯМИ КРИСТАЛЛАХ КСl
Влияние дефектности катионной субрешетки на образование центров окраски
Физические свойства твердых растворов и их изменение после облучения
Влияние двухвалентных катионо- и анионозамещающих примесей на процесс образования F-центров в ЩГК
Влияние дефектов на радиационное изменение оптических свойств щелочно-галоидных монокристаллов
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Влияние некоторых одно- и двухвалентных примесей на радиационное изменение электропроводности щелочно-галоидных кристаллов»
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ОДНО- И ДВУХВАЛЕНТНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА РАДИАЦИОННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ
М. И. ИГНАТЬЕВА, Л. И. РОЩИНА
Изменение различных свойств кристаллов зависит от природы дефектов, например, количество одиночных катионных вакансий определяет проводимость кристалла, количество анионных вакансий в значительной мере — его окрашиваемость.
В данной работе исследовалось влияние нарушений структуры чужеродными ионами на электропроводность щелочно-галоидных кристаллов как до, та.к и после облучения рентгеновыми лучами. Монокристаллы чистые и с примесью выращивались методом Киропулоса на воздухе. Методика измерения проводимости применялась та же, что и в работе [1]. Содержание примеси в кристалле оценивалось по данным химического анализа.
Известно, что электропроводность галогенидов щелочных металлов в области температур (20н-200)°С в слабых полях определяется в основном движением катиона по вакансиям положительного иона. Экспериментально установлено, что при относительно малых концентрациях примесь образует с основанием твердый раствор замещения [2—51. Добавление двухвалентных металлических примесей в кристалл обусловливает появление дополнительного числа катионных вакансий [6], что вытекает из соображений об электронейтральности кристаллов. На рис. 1 приведены полученные нами экспериментальные данные температурной зависимости проводимости для кристаллов ЫаС1, КС1, КВг с различным содержанием добавки. Введение РЬ+ + в КС1, КВг, Бг ++ в КС1, Си++ в ЫаС1 сопровождается увеличением электропроводности. Наклон кривых для кристаллов чистого и с примесью одинаков, что свидетельствует о гом, что в данном температурном интервале как в чистом, так и в кристалле с примесью носители тока имеют одну и ту же природу. Зависимость электропроводности от концентрации добавки в кристалле приведена на рис. 2. Вначале при малых концентрациях (например, до 0,6-10″ 3 мол.% РЬ++ в КВг; 2,5-10 мол.% РЬ + + в КО и т. д.) электропроводность возрастает почти пропорционально с ростом содержания примеси. Начиная с некоторой концентрации дальнейшее добавление примеси в кристалл почти не изменяет величины электропроводности.
Сопоставление экспериментальных данных по изменению электропроводности, оптического поглощения в максимуме .Р-полосы и микротвердости от содержания добавки в кристалле (например, для КСЬБг, рис. 3) свидетельствует о том, что на величину проводимости оказывает
з с с ш т т’ до°_во’ го’с т’тв т’ 9оф кг
?? г4 ге гв зо гк 2G 28 го гь гб гв зо згзь*8
Рис. 1. Температурная зависимость электропроводности монокристаллов.
a) 1 — KCl; 2 — KCl -ь 3,43.10-3 мол % РЬС12; 3 — KCl +
+ 35,5-10-3 мол 96 PbCU
b) 1 — KBr; 2 —КВг-Ь 0,14-10-3 мол % PbBr2; 3 —KBr +
+ 1,67-10-3 мол % PbBr,.
c) 1 — KCl; 2 — KCl 4- 3,25-10-3 мол И SrCl2; 3 KCl +
+ 54,4-Ю-з мол % SrClo.
d) 1—NaCl; 2 — NaCl + 0,5-10-з мол % CuCl2;
3 —NaCl-f- 1JM0-3 мол o/0 CuCl2.
e) NaCl + CuCl (•— чистый кристалл X—кристалл
NaCl +(0,1 2) -10—3 мол o/0 CuCl). /) NaCl 4- MnCl-2 и NaCl + CdCl2 (•— чистый кристалл X — NaCl + 0,5- lO-з моло/0МпС13 л — NaCl + 0,5-Ю-з мол o/0 CdCla).
влияние лишь та часть примеси, которая входит в регулярные узлы кристаллической решетки, внося с собой катионную вакансию [1, 7]. Однако эксперименты показывают, что некоторые двухвалентные металлические примеси, входящие в регулярные узлы кристаллической решетки, не вызывают ожидаемого увеличения проводимости (рис. 1 /). Методом ЭПРа установлено, что ионы Мп+ + входят в узлы решетки №С1 и создают избыточное количество катионных вакансий [4], обладающих большой степенью связи с ионом примеси (0,4 эв). Аналогично этому для кристаллов ЫаСЬСс! установлено, что С
месь, которая входит в узлы кристаллической решетки, создавая одиночные катионные вакансии. Для дополнительного подтверждения этого положения нами изучалось влияние одновалентной примеси меди, входящей в узлы кристаллической решетки [9, 101 без изменения дефектности катионной субрешетки, на проводимость ЫаС1. Добавление СиС1 винтер-
С*10*юолЬ% Sz Cf2 iНС?
Рис. 2. Зависимость логарифма электропроводности монокристаллов от содержания двухвалентной примеси, при температуре 60°С а) для КСЬРЬ;
Ь) КВг-РЬ; с) KCl-Sr. кривая I для необлученных монокристаллов; кривая 2 для облученных рентгеновыми лучами монокристаллов; кривая 3 — изменение логарифма проводимости (Д log о = = log °необл- — log ^облО от содержания примеси.
Рис. 3. Зависимость (а) — логарифма проводимости необлучен-ного монокристалла, (Ь) — коэффициента поглощения в максимуме /^-полосы, (с)— величина микротвердости кристаллов КС1 от содержания стронция.
вале концентраций от 0,Ы0 1 3 до 2-10 _3 моль% никакого изменения проводимости не дает (рис. 1, е). Анализируя данные по изменению проводимости от содержания примеси, представленные на рис. 2, можно сделать вывод о том, что введение одного и того же количества различной двухвалентной примеси в кристалл приводит к различному изменению проводимости. Так, например, 0,6 : 10 ~ 3 моль% РЬ + + в КС1 увеличивает проводимость на 38%, а такое же количество БГ+ + в КС1 на 17,5%. Это, вероятно, свидетельствует о том, что некоторая часть ионов стронция, вошедших в решетку, связана с катионной вакансией.
Если, действительно, проводимость кристаллов с примесью обусловливается наличием одиночных катионных вакансий- то различное окру-
жение примесных ионов в кристалле должно оказывать и различное влияние на радиационное изменение электропроводности. Для выяснения влияния примесей на радиациационное изменение сопротивления кристаллы подвергались изодозному облучению порядка 104 рентген, при котором основным эффектом радиации является образование электронных и дырочных центров окраски. Локализация дырок на тех одиночных катионных вакансиях, которые до облучения обусловливали ионную проводимость, должна привести к уменьшению числа носителей тока, а следовательно, и к понижению проводимости. Это подтверждается нашими экспериментами. На рис. 4 приведена температурная зави-
tZO* W’ 1?0 90″ 60′ 30’с !Ы150о 30* 606 ЗОЪ t80 ISO6 f?9° 908 60″ 30°С
Рис. 4. Температурная зависимость электропроводности необлученных (прямая 1) и облученных (прямая 2) рентгеновыми лучами монокристаллов а — NaCl, b — KCl, с — KBr.
симость проводимости необлученных (кривые 1) и облученных (кривые 2) при комнатной температуре рентгеновыми лучами «чистых» кристаллов №С1, КС1, КВг. Зависимость электропроводности необлучен-ного кристалла имеет обычный прямолинейный рост с температурой. Прямая зависимости электропроводности от температуры для облученных кристаллов в интервале ~ (20-^200)°С имеет два излома при — (60-80)°С и — (120-т- 150)°С. В области температур — (20-И30)°С для всех кристаллов наблюдается уменьшение проводимости по сравнению с необлученным кристаллом. Так, например, при температуре 60°С электропроводность понизилась у ЫаС1 в 12,5 раза, КС1 в 6,8 раза, КВг в 4 раза. Существует две точки зрения на механизм понижения проводимости в результате действия ионизирующего излучения. Первая точка зрения, предложенная Зейтцем [13], заключается в том, что в процессе облучения происходит локализация дырок на носителях тока. Факт понижения проводимости при 20°С в результате действия облучения при комнатной температуре рентгеновыми лучами (например, ¿МаС!), свидетельствует о том, что при облучении при комнатной температуре действительно уменьшается число носителей тока, что согласуется с точкой зрения Зейтца. Вторая точка зрения, предложенная Смолуховским [14], состоит в том, что облучение создает лишь ловушки для носителей тока, которые начинают действовать только при температурах выше комнатной. Наблюдаемый нами результат увеличения разницы между величиной проводимости кристаллов до и после облучения при нагревании кристалла (рис. 4, область 20-^60°С) является доказа-112
тельством того, что и механизм Смолуховского при действии радиация при комнатной температуре имеет место.
Таким образом, при облучении при комнатной температуре рентгеновыми лучами, очевидно, происходит как локализация дырок на носителях тока, так и образование ловушек для носителей тока. При нагревании кристалла носитель тока закрепляется на ловушке, обусловливая эффект дальнейшего уменьшения проводимости предварительно облученного кристалла. Упомянутыми ловушками могут быть избыточны: анионные вакансии, генерируемые в кристалле по механизму Варли.
Нами было выше экспериментально показано, что избыточное число одиночных катионных вакансий приводит к увеличению проводимости. Сверхравновесное содержание вакансий положительного иона в результате действия излучения должно вызвать более значительное, чем у чистого кристалла, понижение проводимости. Это подтверждается, например, для кристаллов KCl и КВг, активированных свинцом, РЬ + + (сравнение рис. 4 вс и 5 ав).
На рис. 2, а, в (кривая 3) приведена зависимость изменения Alga (разница между iog0¡-eo6i. —loga0бл ) от содержания свинца в KCl и КВг. Из сравнения кривых 1,2, 3 рис. 2, а, в следует, что на увеличение проводимости необлученного и на уменьшение электропроводности облученного кристалла оказывает влияние лишь та часть примеси, которая встраивается в узлы кристаллической решетки, обусловливая появление одиночных катионных вакансий. Необходимо отметить, что радиационное уменьшение проводимости больше, чем для чистого кристалла, наблюдается при любом содержании свинца в кристалле.
Работами Пзрфиановича [10], Лущика [11], Вале [12] установлено, что примесь в кристалле в зависимости от ее окружения при действии ионизирующего излучения может локализовать электроны или дырки. Различное окружение примеси в решетке оказывает различное влияние на изменение проводимости как необлученного (рис. 1), так и облученного кристаллов (рис. 5). Поскольку примеси Mn+_l» , Cd ++ , Си + введенные в решетку, не вызывают появления одиночных катионных вакансий (рис. 1, е, /), то в результате действия ионизирующего излучения мы не должны наблюдать изменения проводимости легированных кристаллов по сравнению с чистым кристаллом. Это предположение подтверждается экспериментально (рис. 5, е, f).
Если создать в кристалле условия для локализации дырок не только на одиночных катионных вакансиях, обусловливающих понижение проводимости, но и на дефектах, не принимающих участия в переносе тока (например, примесь стронция в KCl и меди в NaCl), эффект радиационного изменения электропроводности должен уменьшится по сравнению с чистым кристаллом. На рис. 5 приведена температурная зависимость электропроводности кристаллов NaCl-CuCl2 (рис. 5, d)\ KCl • SrCl2 (рис. 5, с) (сравни рис. 4, а с рис. 5, d и рис. 4, в с рис. 5, с). При температуре 6ТС уменьшение проводимости составляет для кристаллов NaCl — 12,5 раза, NaCl • CuCl2 — 6,0 раза, KCl — 6,8 раз, KCl • SrCl2 — 2,8 раза. Изменение Aloga KCl от концентрации стронция приведено на рис. 2, с, кривая 3. Из рис. следует, что чем больше стронция в кристалле, т. е. чем больше конкурентов катионным вакансиям в отношении локализации дырок, тем меньше понижается проводимость облученного монокристалла. Для кристаллов KCl-Sr нами обнаружена дырочная полоса с ^ 335 лш/с, ответственность за которую припи-
сывается центрам Хейса—Никольса [15]. Природа этой полосы нами установлена при оптическом разрушении светом из F-полосы, а также при сравнении спектров поглощения фотохимически и аддитивно окрашен-
^¡80° ¡50° 120° 90е 60° 30°С Щ» Ж 80° 30°С ¡80° 1ЬЬ» 1?0° № оИ»
?? гч гг> гз зо м & гв ?8 V ш ъи гч н 28 го зг
Рис. 5. Температурная зависимость электропроводности необлученных (прямая 1) и облученных (прямая 2) рентгеновыми лучами монокристаллов.
а — КС1 + 3,43- Ю-з мол о/0 РЬС12; Ь — КВг + 2,3- 10-з мол °/0 РЬВг2; с — КС1 + 54,4-Ю-з мол % 8гС1а; й — КаС1 + 0,5-10—з мол °/0 СиСЬ»; е — ЫаС1 0,3-10-* мол °/0 СиС1; / N301 + 5- 10-з мол °/0 МпСЬ.
Длина 6олнЬ/Л (mj*)
Рис. 6. Спектр поглощения монокристалла KCl + 123-Ю—з мол °/0 SrCl2 при комнатной
температуре. 1 — спектр поглощения после рентгеновского облучения дозой.4-104 ‘рентген; 2 — спектр поглощения после высвечивания светом, из F-полосы; 3 — спектр поглощения аддитивно ^окрашенного кристалла,
ных кристаллов (рис. 6). С помощью метода ЭПРа [15] найдено, что центр Хейса—Никольса представляет собой локализованный молекуляр*
плюс катионная вакансия).
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
ный ион СЬ на комплексе + (Эг
В фосфоре ЫаС1-СиС12 локализация дырок происходит не только на катионных вакансиях, но и на одновалентном ионе меди. Известно [9], что при добавлении СиС12 в расплав большая часть меди входит в кристалл в виде одновалентных ионов, чем, по-видимому, объясняется лишь незначительное увеличение проводимости ЫаС1 с ростом концентрации добавки (рис.1, й). При небольших добавках СиС12 локализация дырок на ионах одновалентной меди экспериментально подтверждается исследованиями спектров поглощения облученных кристаллов; В спектре поглощения (рис. ?) появляется полоса
с ^ так — 220 ММК, КОТОрая обусловлена двухвалентными ионами меди [9, 16].
Таким образом, добавление в кристалл примесей, способствующих локализации дырок на дефектах, которые не принимают участия в переносе тока, вызывает уменыие-
Рис. 7. Спектр поглощения монокристалла ЫаС1 4- 0.5* Ю-«4 мол % СиС12 при комнатной температуре до облучения (кривая 1) и после облучения рентгеновскими лучами (кривая 2).
ние радиационного изменения проводимости.
1. На изменение проводимости необлученного и облученного ще-лочно-галоидного монокристалла оказывает влияние та часть примеси, которая входит в регулярные узлы кристаллической решетки, создавая одиночные катионные вакансии.
2. В зависимости от окружения в решетке примесь способствует;
а) усилению радиационного изменения электропроводности, если ее введение в решетку сопровождается появлением одиночных катионных вакансий (например РЬ ++ в КС1, КВг);
б) ослаблению его, если примесь создает дополнительные примесные уровни для захвата дырок (например SrCl2 в КС1, СиС12 в NaCl);
Примесь не изменяет проводимость по сравнению с облученным чистым кристаллом, если она не создает примесных центров для захвата дырок и не вызывает появление одиночных катионных вакансий (например, MnCl2, CdCl2, CuCl в NaCl.
3. При воздействии при комнатной температуре рентгеновского излучения в дозах, основным эффектом которых является образование электроннодырочных центров окраски, происходит как локализация дьь
рок на носителях тока (механизм Зейтца [13]), так и образование ловушек по Смолуховскому [14].
В заключение авторы выражают глубокую благодарность профессору доктору Е. К. Завадовской за руководство работой и доценту И. Я. Мелик-Гаяказян за полезные советы и постоянный интерес к работе.
1. М. И. Игнатьева, Е. К. Завадовская, И. Я. Мелик-Гайказян. ФТТ, 5, 2775, 1963.
2. Е. Е. Schneider, J Е. G о f f е п. Report of the Bristol Conf on Defects in Crystals Solids, 1954 г., 74 London 1955.
3. P. A. Forrester, E. E. Schneider. Proc. Phys. Soc. B69, 833, 1956.
4. G. D. W a t k i n s. Phys. Rev. 113, 79, 1959.
5. W. Runciman, E. Steward. Proc. Phys. Soc. A66, 401, 1953.
6. H. Pick, H. Weber. Zs. f. Phys. 128, 409, 1950.
7. E. К. Завадовская, M. H. Трески на, И. Я. Мелик-Гайказян. Изв. вузов «Физика», № 2, 60, 1961.
8. F. Bassani, F. G. F u m i. Phil. Mag. 45, 288, 1954.
9. К. Fukuda, Т. N a k a g a w a. Bull. Inst. Chem. Res. Kyoto, Univ. 39, № 2,
10. И. А. П a p ф и а н о в и ч. Докторская диссертация, МГУ, М., 1959. И. Ч. Б. Лущик, Г. Г. Лидья, Н. Е. Лущик, К. К. Ш в а р ц, И. В. Я э к. ФТТ, 3, 1176, 1961.
12. Г. К. Вале. Тр. ИФА АН ЭССР, Nb 23, 1961.
13. F. Seitz. Rev. Mod. Phys. 26, 7, 1954.
14. H. S. Ingham, R. S ш о lu chowski. Phys. Rev. 117, 1207, 1960.
15. W. Hayes, G. Nicols Phys Rev. 117, 993, 1960.
16. E. Boesman, W. D e k e у s e r. Physica, 24, № 1, 1958.
Conductivity Frequently Asked Questions
My conductivity sensor has been removed from my water system and allowed to dry. Will this affect the readings upon re-installation?
METTLER TOLEDO Thornton conductivity cells can be left dry between uses without damaging the sensor or affecting long-term performance. However, it is important to remember that an electrode must be fully wetted in order to obtain the most stable, accurate measurement possible. If used in dirty water, they should be cleaned first. pH and ORP sensors, on the other hand, must be kept wet at all times and may be stored with their original shipping cap on, filled with the reference electrolyte.
I have a conductivity sensor that is in the original box and has never been installed in my system. Is the original certificate of calibration still valid, or do I need to get the sensor re-calibrated?
You could send the sensor back to us for re-calibration and re-certification; however, since the cell constant of the concentric cell design is reliable and stable, we have added a statement at the bottom of our Certificate of Accuracy, which should help eliminate the need for this. The statement is as follows:
«Conductivity cell constant and temperature constant calibrations are generally valid for one year from the date of installation. However, rough handling or use in samples containing suspended solids which accumulate on cell surfaces can degrade sensor constant accuracy and require more frequent calibration». Therefore, if you can verify that the sensor has not been installed or damaged, then the original calibration is still valid.
Do you sell materials and equipment that I would need for calibration of Thornton conductivity sensors?
METTLER TOLEDO Thornton does supply standard conductivity solutions to recalibrate the cell constant of sensors. However, Thornton ISO-9001, NIST and ASTM-traceable factory calibration is performed under carefully controlled conditions of water purity and temperature. Sensors for pure water are actually calibrated in a closed, ultrapure water loop under conditions identical to their use. In most installations, this calibration is valid for at least a year and is more accurate than what can be achieved at users’ locations. For subsequent re-calibration, our recommendation is that cells be re-certified in one of three ways:
- First, you can return the cells to Thornton, and we will re-certify them for you and issue a calibration certificate for each cell.
- Second, you can purchase a certified cell from us that can be used as a standard. You can then use this cell to compare against the readings of your other cells if both can measure identical water.
- Third, you can calibrate in a standard solution. The standard must be accurate and unaffected by contamination. For pure water sensors, the ideal standard is recirculating ultrapure water at 18.2 Megohm-cm (0.055 uS/cm), sealed from air. If such a system is unavailable, a standard solution used in open air should have a conductivity of 100 uS/cm or higher to reduce the effect of variable contamination from carbon dioxide in the air. ASTM D1125 Solution D at 147 uS/cm is well-suited for this. DO NOT USE commercially available conductivity standards below 100 uS/cm. The uncertainty of air contamination creates larger errors than the non-linearity of Thornton instruments over the range from 150 uS/cm to pure water.
To calibrate the temperature, you must control the water to a known temperature and then calibrate the sensor’s temperature factor to that value.
Does flow velocity affect conductivity readings?
Conductivity or resistivity depends on the composition or purity of the water and is basically independent of the flowrate past the sensor. However, several secondary effects can influence the composition and measurement, especially in high purity water.
Low Flowrates
- Trace impurities dissolving from the surfaces of a new or altered piping system are more likely to accumulate and reduce resistivity at low flows and especially in any dead legs.
- Any large air leaks producing bubbles in the sensor will cause unstable, high resistivity readings. Low flowrate will allow these bubbles to cling to sensor surfaces, which changes the effective cell constant. The orientation of the sensor should allow bubbles to rise and escape through the outlet.
- Dissolved air in cold water will become less soluble when it reaches a warmer, lower pressure part of a treatment system and may produce bubbles within a sensor and cause the same problems noted above. The same effect can occur when carbon dioxide is released following a cation exchanger.
- Any trace air leaks, though insufficient to produce bubbles, can still contain enough conductive carbon dioxide that they can lower the resistivity of ultrapure water. Changes in flowrate may reduce or dilute these leaks and yield an apparent flow sensitivity.
- Where conductivity/resistivity is measured in a side stream or sample line, low flows will cause delays in sensing the actual process. They are also subject to the same problems of air leaks.
High Flowrates
- High flowrates are usually better conditions for measurement; however, extremely high flow can cause a very large pressure drop when hitting the conductivity cell and cause cavitation in the sensor — the product of water vapor bubbles due to a partial vacuum. This will produce wildly varying readings and could damage the sensor.
As a rule of thumb, flow velocities between 1 and 10 feet/second (0.3 to 3 m/s) usually produce good results; however, the above considerations should be taken into account as they apply to a particular installation.