Главная / Материалы и элементы электронной техники / Лабораторная работа №7 исследование свойств сегнетоэлектрических материалов

Лабораторная работа №7 исследование свойств сегнетоэлектрических материалов

Основные понятия и определения.

Сегнетоэлектрическими называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Спонтанная поляризация наблюдается в диэлектриках, имеющих доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, которые обладают электрическим моментом в отсутствии электрического поля. При этом направление этих моментов у разных доменов различны. Наложение внешнего электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что создаёт эффект поляризации. Этим объясняется свойственное сегнетоэлектрикам высокое значение диэлектрической проницаемости.

Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, присущих только им свойств. Важнейшим из них является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряжённости электрического поля. Эту зависимость называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика (кривой заряда сегнетоэлектрического конденсатора). В слабом электрическом поле, когда преобладают процессы обратимого смещения доменных границ, связь между D и E носит приблизительно линейный характер. В области более сильных электрических полей смещение доменных границ приобретает необратимый характер. При этом разрастаются домены у которых вектор спонтанной поляризации составляет наименьший угол с вектором напряжённости электрического поля. По мере дальнейшего увеличения электрического поля все домены ориентируются по полю. Наступает состояние технического насыщения.

Нелинейность поляризации относительно поля при наличии гистерезиса обуславливает зависимость диэлектрической проницаемости и ёмкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работы и, в первую очередь, от напряжённости поля. Для характеристики свойств материала используют понятия статической, реверсивной и начальной диэлектрических проницаемостей. Статическая диэлектрическая проницаемость EСт определяется по основной кривой поляризации: . Реверсивная диэлектрическая проницаемость EР характеризует изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля. Начальной называют диэлектрическую проницаемость измеренную в очень слабых полях.

Обладая резко выраженными нелинейными свойствами, сегнетоэлектрики проявляют высокую чувствительность по отношению к внешним энергетическим воздействиям, и, следовательно, могут выполнять функции управляющих или преобразующих элементов. Как активные диэлектрики сегнетоэлектрики применяются в нелинейных конденсаторах (варикондах), в запоминающих устройствах, в электрических модуляторах итд.

В настоящей работе исследование свойств сегнетоэлектрических материалов проводится на примере вариконда с сегнетокерамикой на основе титаната бария.

Описание установки.

Свойства сегнетоэлектриков исследуются осциллографическим методом и другими методами на промышленной частоте. Схема установки приведена на рисунке, где использованы следующие обозначения: G1 – регулируемый генератор переменного напряжения; PV1 – вольтметр для измерения входного напряжения; R1, R2 – делитель напряжения; C01 – базовый конденсатор для градуировки осциллографа; С02 – образцовый конденсатор большой ёмкости; PV3 – ламповый милливольтметр для измерения падения напряжения на С02; N – осциллограф; Сх – испытуемый сегнетоэлектрический конденсатор; PV2 – вольтметр для измерения постоянного напряжения смещения.

Схема 1

meet7

Для исследования сегнетоэлектриков по петлям гистерезиса на горизонтальный вход осциллографа Х подаётся напряжения с резистора R1, пропорциональное полному напряжению на входе схемы, измеряемому PV1. Приложенное напряжение падает в основном на испытуемом образце, т. к. его ёмкость много меньше ёмкости подключенного последовательно с ним образцового конденсатора C02, с которого снимается напряжение на вертикальный вход осциллографа Y. В переменном поле заряды последовательно включённых конденсаторов равны. Поэтому падение напряжения на конденсаторе C02 пропорционально заряду на нелинейном конденсаторе Сх: Q02 = C02U3=Qx ~ CxU1. Таким образом на экране осциллографа можно видеть зависимость заряда Qx сегнетоэлектрического конденсатора от напряжения на его обкладках.

Исследование реверсивной нелинейности сегнетоэлектриков используются регулируемые генераторы G1 и G2. падение напряжения на образцовом конденсаторе C02, пропорциональное заряду на Cx, измеряется с помощью милливольтметра PV3. Напряжение генератора G2, измеряемое вольтметром PV2, управляет реверсивной ёмкостью сегнетоэлектрического конденсатора CХ.

Обработка результатов.

По данным градуировочного графика определить масштабы по осям трубки осциллографа по формуле: , где U1M – амплитудное значение приложенного напряжения, U1 – действующее значение напряжения, установленное по вольтметру PV1, Х – отклонение по горизонтальной оси; , где Q – заряд на обкладках конденсатора C02, Y – отклонение по вертикальной оси, — напряжение на конденсаторе C02.

C01 = 6×10-8 Ф = 60 нФ С02 = 10-6 Ф = 1 мкФ.

По данным таблицы 1. вычислить максимальные значения напряжённости электрического поля и соответствующих им зарядов по формулам: , где H – толщина сегнетоэлектрика, и . Для значений толщины H=0,5 мм и площади пластин SЭ=175мм2. Результаты занести в таблицу 1.

По полученным данным построить основную кривую заряда сегнетоэлектрического конденсатора в виде зависимости Qx=F(E1M).

Таблица 1.

Х, дел

U1M, В

Е1M, кВ/м

Y, дел

Qx, мкКл

СсM, *10E-8

EСт*10E3

0.5

15

30

0,1

0,284

1,893

1,06

1

36

72

0,2

0,568

1,578

1,32

1.5

55

110

0,5

1,421

2,583

1,29

2

66

132

0,7

1,989

3,014

1,25

2.5

82

164

0,9

2,558

3,112

1,23

3

100

200

1

2,842

2,842

1,19

3.5

120

240

1,1

3,126

2,605

1,16

4

135

270

1,2

3,411

2,527

1,09

По данным таблицы 1 вычислить значение статической ёмкости Ccm при различных напряжениях, а затем статической диэлектрической проницаемости EСт, используя формулы:

, где E0 = 8,85 10-12 Ф/м – электрическая постоянная. Результаты занести в таблицу 1. Построить зависимость статической диэлектрической проницаемости от напряжённости электрического поля.

Вычислить ёмкость Ср, реверсивную диэлектрическую проницаемость EР и напряжённость постоянного электрического поля Е2 по формулам:

, где U2 – постоянное напряжение смещения на сегнетоэлектрическом конденсаторе. Результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2.

U2

E2, MВ/м

U1=10 В, E1=20кВ/м

U1=25 B, E1=50кВ/м

U3

Cp, МкФ

EP 106

U3

Cp, МкФ

EP 106

0

0

23

2,3

0,742

132

5,28

1,703

50

0,1

22

2,2

0,709

126

5,04

1,626

100

0,2

21

2,1

0,677

78

3,12

1,006

150

0,3

19

1,9

0,613

70

2,80

0,903

200

0,4

18

1,8

0,581

48

1,92

0,619

250

0,5

16

1,6

0,516

42

1,68

0,542

По данным таблицы построить график зависимости реверсивной диэлектрической проницаемости от напряжённости постоянного электрического поля EP=F(E2), при неизменных значениях амплитуды переменного поля E1M.

Вычислить ёмкость Сэф и начальную диэлектрическую проницаемость EНач по формулам:

результаты занести в таблицу 3. По данным построить температурную зависимость начальной диэлектрической проницаемости EНач=F(T). По максимуму этой зависимости определить точку Кюри исследуемого сегнетоэлектрического материала.

T, °C

U3, МВ

Cнач, НФ

EНач

13

8,2

1,64

529

26

9

1,8

580

32

10,6

2.12

684

50

26

5,2

1677

60

70

14

4517

64

53

10,6

3226

70

39

7,8

2516

80

24

4,8

1548

90

18

3,6

1161

100

13,5

2,7

871

Точка Кюри по графику Тк = 61 °С

Вывод: Ёмкость сегнетоэлектрического конденсатора очень сильно зависит от внешних энергетических воздействий. Наличие постоянной составляющей в приложенном напряжении сильно изменяет ёмкость такого конденсатора.