Главная | Обратная связь

Теоретическое введение

Лабораторная работа 4

Исследование свойств сегнетоэлектриков

Методические указания

Цель работы: изучение областей применения и электрических свойств сегнетоэлектриков, их отличий от линейных диэлектриков.

Теоретическое введение

Активные диэлектрики, к числу которых относят сегнето- , пьезо- и пироэлектрики; электреты; материалы квантовой электроники; жидкие кристаллы; электро-, магнито-, акустооптические материалы и др., позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации.

Свойствами активных диэлектриков можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий. Строгая классификация активных диэлектриков, охватывающая многие отличительные признаки этих материалов, оказывается весьма затруднительной. К тому же резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента.

В большинстве случаев активные диэлектрики классифицируются по роду физических эффектов, которые можно использовать для управления свойствами материалов. Наиболее универсальны в этом плане сегнетоэлектрики, которые сочетают в себе свойства пьезо- и пироэлектриков, электрооптических и нелинейно-оптических материалов. Они могут выступать и в качестве электретов. Вместе с тем сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Важнейшим из них является нелинейное изменение поляризованности P при воздействии электрического поля E или механической деформации.

Классическими представителями сегнетоэлектриков являются дигидрофосфат калия (KH₂PO₄), нитрат натрия (NaNO₂), титанат бария (BaTiO₃), триглицинсульфат ((NH₂CH₂COOH)_{3 *} H₂SO₄), сегнетова соль (NaKC₄H₄O_{6 *} 4H₂O) и др. Сегнетоэлектрики обладают наряду с линейными видами поляризации (электронной и ионной), в определенном температурном интервале ниже точки Кюри T_c, спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля или механической деформации.

В переменных полях у сегнетоэлектриков наблюдается явление диэлектрического гистерезиса, т.е. отставание изменения электрической индукции (смещения) D от напряженности электрического поля E. Иначе говоря, гистерезисный цикл является следствием доменного строения сегнетоэлектриков. Ориентация доменной структуры в направлении электрического поля требует затрат электрической энергии, что указывает на дополнительный механизм диэлектрических потерь. Величина потерь на гистерезис характеризуется площадью предельного гистерезисного цикла, показанного на рис. 1. Основные параметры, характеризующие предельный цикл петли гистерезиса: ±P_m, ±P_r – максимальная и остаточная поляризации на обкладках конденсатора при максимальном значении напряженности электрического поля ±E_m и при снятии внешнего поля E=0 соответственно; ±E_c – коэрцитивная сила, т.е. напряженность поля, при которой заряд (поляризованность P) становится равным нулю.

Рис. 1

Диэлектрическая проницаемость e сегнетоэлектриков достигает десятков тысяч единиц. Для характеристики свойств сегнетоэлектриков в различных условиях работы используют следующие определения диэлектрической проницаемости:

– статическая диэлектрическая проницаемость:

, (1)

где D, Кл/м², E, В/м - координаты точек основной кривой поляризации (см. пунктирную линию на рис. 1); e₀= 8,85^.10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная;

– дифференциальная диэлектрическая проницаемость

, (2)

- реверсивная диэлектрическая проницаемость e_p, характеризующая изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля.

В линейных диэлектриках перечисленные виды диэлектрических проницаемостей не зависят от напряженности электрического поля и равны между собой:

. (3)

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур вплоть до точки Кюри, где эти свойства максимально выражены (таблица 1). В процессе нагревания при температурах выше точки Кюри происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние, спонтанная поляризация исчезает.

 

Таблица 1. Области использования нелинейных свойств сегнетоэлектрических материалов

Свойства	Применение
Большие значения относительной диэлектрической проницаемости e (105 и более )	Малогабаритные конденсаторы с большой удельной емкостью, включая в интегральном исполнении.
Нелинейная зависимость e (E) в сегнетоэлектрической фазе ( до Tc )	Вариконды для стабилизации напряжения, умножения частоты, преобразования синусоидального напряжения в импульсное, для гашения тока.
Нелинейная зависимость e (T)	Диэлектрические термометры, термоконденсаторы с четко выраженными и размытыми фазовыми переходами для определения физиологических параметров желудочно-кишечного тракта, для стабилизации кварцевых резонаторных электронных часов.
Прямоугольная петля гистерезиса. Коэффициент прямоугольности:	Запоминающие устройства с потенциальным принципом записи и сохранении информации при отключении питания и многократном считывании.

Схема измерения

На лицевой панели изображена схема, по которой производится измерение. Это стандартная схема Сойера–Тауэра (рис. 4). На лицевой панели прибора изображена схема, по которой производится измерение. Это модифицированная схема Сойера–Тауэра (рисунок 4), представляющая собой мостовую схему, состоящую из резисторов R1 и R2, образцового конденсатора Cо и исследуемого сегнетоэлектрического конденсатора Cx.

 

Рис. 4. Схема Сойера–Тауэра

Переменный сигнал с управляемого генератор воздействия (УГ) подается на диагональ измерительного моста, где напряжение на конденсаторе Cо пропорционально электрическому смещению в исследуемом материале. Информация о температуре образца снимается с датчика температуры, находящегося вместе с образцом в термостате.

Вся информация с измерительной схемы при помощи коммутатора подается в ЭВМ.

На схеме:

R1, R2 -делитель напряжения; C_x- сегнетоэлектрический образец; C₀- образцовый конденсатор большой емкости; R_t-терморезистор; УГ - управляемый генератор.

На пластины горизонтального отклонения луча 1 и 2 подается напряжение с сопротивления R2, пропорциональное напряжению генератора (УГ), которое измеряется с помощью АЦП. Приложенное напряжение падает в основном на испытуемом образце, так как емкость C_x >>C₀.

На пластины вертикального отклонения 3 и 4 подается напряжение U₀ с конденсатора C₀, пропорциональное его заряду и заряду на конденсаторе C_x, так как на переменном токе заряды конденсаторов, включенных последовательно, равны.

Расчетные формулы

Все сигналы с измерительной схемы подаются на ЭВМ, которая проводит необходимые расчеты при помощи следующих основных формул.

, (4)

где q - заряд на сегнетоэлектрическом конденсаторе; С₀ - емкость образцового конденсатора; U₀ - напряжение на образцовом конденсаторе.

, (5)

где E – напряженность поля в сегнетоэлектрическом конденсаторе; h – толщина образца; U – напряжение на сегнетоэлектрическом конденсаторе;

. (6)

Здесь e_ст – статическая диэлектрическая проницаемость; q_m - максимальный заряд; U_m- максимальное напряжение; S - площадь образца;

, (7)

где tg d – тангенс угла диэлектрических потерь; S_p – площадь петли; K – масштабный коэффициент.