prosdo.ru
добавить свой файл
1



05.02.13

2.4. Лабораторная работа
"Активные диэлектрики. Нелинейная сегнетокерамика"


Цель работы: исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических материалов при различных температурах, используемых для изготовления термоконденсаторов и варикондов.

Приборы и принадлежности: автоматический мост переменного тока для измерения емкости при частоте 1 кГц; мост Шеринга; термостаты; измерители температуры; термоконденсаторы и вариконды на основе титаната бария и его соединений с другими титанатами.

1. Поляризация в сегнетоэлектриках


Сегнетоэлектрик (ферроэлектрик) – диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешними воздействиями.

Количественно процесс поляризации оценивается величиной поляризованности Р (Кл/м2), характеризующей электрический момент в единице объема.

Наиболее распространенный диэлектрик – монокристалл титанат бария BaTiO3.

Причиной сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольная поляризация, возникающая под действием особенно сильного взаимодействия между частицами. Сегнетоэлектрик разделен на отдельные области (участки спонтанной поляризации), называемые диэлектрическими доменами, в которых возникает большой электрический момент p (мКл) даже в отсутствие внешнего электрического поля.

Все сегнетоэлектрики можно разделить на два типа с учетом их химического строения, механизмов фазового перехода, совокупности физических свойств и способов применения в технике.

К первому типу
относятся кристаллические сегнетоэлектрики, в которых существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы.

Ко второму типу относятся сегнетоэлектрики (титанаты (МеTiO3): балия, стронция, свинца, кадмия; танталаты (МеТаО3): натрия, калия и другие.


Сегнетоэлектрики характеризуются важнейшими свойствами.

Высокое и сверхвысокое значения 

Значения  достигают значений от 104 до 106, в частности для титаната бария величина  достигает 6000  7000.

Нелинейная зависимость поляризованности Р(Е)

Количественно процесс поляризации оценивается величиной поляризованности Р (Кл/м2), характеризующей электрический момент в единице объема.

В постоянном поле возрастание напряженности электрического поля Е (В/м) или напряжения U (В) на образце приводит к нелинейному изменению поляризованности вещества P (Кл/м2) (рис. 2.17, а, I -IY), следовательно, к увеличению диэлектрической проницаемости и емкости образца (рис. 2.17, б). При высоких значениях напряженности Е индукция D (Кл/м2) электрического поля, равная D = oE, изменяется незначительно, а  монотонно уменьшается (рис. 2.4, 2.17).

Петля гистерезиса

Петлей гистерезиса называется зависимость поляризованности P(E) в переменном электрическом поле (рис. 2.17, в).

В каждом из доменов ориентация электрического момента одинакова, однако в исходном состоянии материал, как правило, не обладает поляризованностью из-за хаотического распределения доменов, и значение Р = 0 (рис. 2.17, в, точка 0).



Рис. 2.17. Кривая поляризованности (а), зависимость (E) (б), предельная петля гистерезиса (в), изменение напряжения на образце (г)

Пусть напряжение U и напряженность Е изменяются со временем по гармоническому закону (рис. 2.17, г). При начальном увеличении E поляризованность изменяется по линии 0-1-2, достигая значения Ps. При дальнейшем уменьшении напряженности до нуля (рис. 2.17, в, точки 2-3-4) – поляризованность не становится равной нулю вследствие остаточной спонтанной поляризации и Р =Pr. Для уменьшения величины Р до нуля необходимо включать поле противоположной направленности (точка 5), величиной, равной коэрцитивной силе Еc.


При переменном электрическом воздействии на образец поляризованность будет изменяться от значений + Рs (точка 2) до Рs (точка 6) по нелинейной зависимости между поляризованностью Р и напряженностью внешнего электрического поля Е, называемой петлей гистерезиса, приведенной на рис. 2.17, в. Таким образом наличие диэлектрического гистерезиса приводит к смещению по фазе поляризованности Р от приложенного напряжения, характеризующегося напряженностью Е.

При возрастании частоты электрического поля поляризованность Р (за счет инерционности процессов) в области высоких частот будет равна нулю и петля гистерезиса "трансформируется" в прямую линию.

Температура Кюри

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры представляется нелинейной функцией с максимумом при определенной температуре, называемой температурой (точкой) Кюри (Тк) (рис. 2.18). Повышение температуры до точки Кюри (материал находится в сегнетоэлектрическом состоянии) приводит к увеличению поляризованности, а значит и диэлектрической проницаемости, за счет ослабления связей и большей упорядоченности. Свыше температуры Кюри спонтанная поляризация постепенно исчезает за счет теплового движения структур и разрушения доменов (параэлектрическое состояние).

Параметры сегнетоэлектриков изменяются в широких пределах; точка Кюри лежит в диапазоне от –263 С до +1213 С. Точка Кюри для титаната бария имеет значение около 120 С; подбором состава смеси (например, смешав титанаты бария и стронция) возможно изменять значение точки Кюри, смещая ее, например, в область более низких температур (рис. 2.18, а, кривые 1, 2).

Термоконденсаторы характеризуются величиной ТК, которая экспериментально (рис. 2.18, а) в произвольных точках может быть рассчитана по соотношению

ТК(Т) = (1/*)/T . (1)


Примерные зависимости ТК(Т) приведены на рис. 2.18, б.


а) б)

Рис. 2.18

Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от температуры в области Т > Tк описывается формулой Кюри – Вейса:

 = А/(ТТ0), (2)

или

1/ = –Т0/А + Т/А, (3)

где А – константа, Т0 – параметр материала.

Построив по результатам измерения емкости и расчета диэлектрической проницаемости образца при различных температурах график зависимости (T) можно определить температуру Кюри Тк ( рис. 2.18, а). В области температур Т > Tк в соответствии с законом Кюри – Вейса график зависимости 1(Т) должен представлять собой прямую линию (рис. 2.18, в).

Величина Аэксп определяется как угловой коэффициент:

Аэксп = (Т2Т1)/(1/2 – 1/1). (4)

Величина Т0эксп может быть рассчитана по результатам эксперимента, например:

T0эксп = TКАэксп/К, (5)

где К - значение относительной диэлектрической проницаемости при
Т = ТК (рис. 2.18, в).

По значениям Аэксп и Т0эксп можно сделать вывод о типе диэлектрика и конкретном механизме поляризации.

Среди сегнетоэлектрических кристаллов различают две группы. Эти группы различаются значением константы А в законе Кюри  Вейса и соотношением между Тк и Т0. Для первой группы характерны значения константы А в диапазоне (1…5)103 К и ТкТ0. Для второй группы константа А лежит в диапазоне (1…3)105 К, а Т0 примерно на 10 С ниже, чем Тк.


На основе сегнетоэлектриков с резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры изготавливаются температурно-чувствительные конденсаторы – термоконденсаторы.

Зависимость (E)

Анализ процессов поляризации показывает, что электрическая индукция D изменяется по нелинейной зависимости (рис. 2.17, а), достигая насыщения Dнас. Поскольку

D(Е) = (Е)0E, (6)

то с учетом

(Е) = D(Е)/0E, (7)

зависимость (Е) описывается нелинейной зависимостью по кривой с максимумом (рис. 2.17, б).

Так как емкость С конденсатора с диэлектриком равна

С(Е) = (Е)0S/h, (8)

(S, hплощадь электродов, толщина), то емкость конденсатора с активным диэлектриком изменяется по кривой, идентичной зависимости (Е) от напряженности (напряжения) (рис. 2.17, б).

На основе сегнетокерамики с резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля изготавливаются нелинейные конденсаторы, называемые варикондами. Характерная зависимость емкости варикондов от напряжения показана на рис. 2.17, б.

Нелинейность вариконда проявляется в изменении емкости при воздействии на него переменных и постоянных электрических напряжений. Различают два вида нелинейности емкости варикондов.

Нелинейность С(U) по переменному току, проявляемая при воздействии переменного (синусоидального или другого) напряжения, а также одного постоянного: при увеличении напряжения (напряженности электрического поля) емкость возрастает, достигает максимума, затем снижается. Подобные изменения емкости объясняются нелинейными зависимостями поляризованности Р от Е и диэлектрической проницаемости  от напряженности электрического поля.


Реверсивная нелинейность С(U), проявляемая при одновременном воздействии двух напряжений: переменного и постоянного (или более низкочастотного, чем первое, переменного напряжения), называемого смещающим напряжением. При увеличении смещающего напряжения емкость варикондов изменяется и достигает насыщения.

Для изготовления варикондов используются девять основных видов нелинейной сегнетокерамики: ВК-1 – ВК-9. Все они изготавливаются по керамической технологии, однако, имеют различные характеристики. Для всех материалов поляризованность при увеличении напряженности поля возрастает и достигает участка насыщения.

Первые шесть (ВК-1 – ВК-6) в нормальных условиях являются сегнетоэлектриками, и их нелинейные свойства оцениваются по характеру зависимостей Р(Е)
и (E). Параметром нелинейности является коэффициент

к =
С(U)/Снач = (U)/нач, (9)

показывающий, во сколько раз возрастает емкость при увеличении переменного напряжения от начального к рабочему.

Материалы ВК-7, ВК-8, ВК-9 в области рабочих температур находятся в параэлектрическом состоянии. Эти материалы применяются для СВЧ-варикондов. Главной их особенностью являются: низкие значения tgниже, чем у обычных сегнетоэлектриков) и реверсивная зависимость емкости от постоянного смещающего поля при одновременном воздействии СВЧ-сигнала. Подобные материалы обладают высокими значениями диэлектрической проницаемости с малой номинальной емкостью. Относительная диэлектрическая проницаемость остается постоянной при частотах до 40 ГГц.

Чувствительность к излучениям

Разнообразные сегнетоэлектрики обладают специфическими свойствами, используемыми в технике. Одной из особенностей ряда сегнетоэлектриков оказалась их восприимчивость к ультрафиолетовому, видимому и ИК-излучению, что используется для создания оптических приборов. Именно поэтому некоторые сегнетоэлектрики обладают пироэлектрическими свойствами.


Подготовка к работе

Лабораторная работа относится к темам: Активные диэлектрики″, ″Сегнетоэлектрики″.

Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).

В "заготовке" к работе следует:

– ознакомиться с параметрами Р, Е, U, D, 0, ТК записать их размерности;

– описать схему моста Шеринга, в том числе, прямую и обратную; принцип балансировки моста и метод измерения емкости на мосту Шеринга;

– записать формулу взаимосвязи емкости С и ε;

– графики, описывающие основные свойства сегнетоэлектриков от температуры, напряжения, частоты;

– метод определения параметров формулы Кюри-Вейса по экспериментальным данным;

описать строение, свойства варикондов и их основные параметры, в том числе, коэффициента нелинейности;
3. Измерения и обработка материалов

Работа состоит из двух испытаний, выполняемых на автоматическом мосту переменного тока и мосту Шеринга.

Испытание 1.

3.1. Исследование термоконденсаторов №1 и №2, изготовленных
на основе титаната бария


3.1.1. Изучите устройство автоматического моста переменного тока и схему измерения.

3.1.2. По разрешению преподавателя включите мост переменного тока и измерьте емкости термоконденсаторов №1 и №2 при комнатной температуре t0 (табл. 1).

3.1.3. Рассчитайте значения диэлектрической проницаемости для двух образцов.

При расчете учитывайте примерные геометрические размеры диэлектриков (термоконденсатор 1: диаметр – 7 мм; толщина – 0,5 мм; термоконденсатор 2: диаметр – 3 мм; толщина 1 мм).

Возможные уточнения приведены на стенде.

Используя рекомендуемую литературу, оцените расчеты. Покажите расчет преподавателю.

Таблица 1

Результаты измерений

Номер
образца


Параметр

Температура, оС

t0



160



1

С1, пФ

?

?

?

1

?

?

?

ТК1, К–1

?

?

?

Аэксп

?

Т0эксп

?


2

С2, пФ

?

?

?

2

?

?

?

ТК2, К–1

?

?

?

3.1.4. По разрешению преподавателя установите тумблер нагрева материалов в режимы I (II – III). Измеряйте емкости двух образцов (попеременно) по мере возрастания температуры (табл. 1).


Измерения производите через приращение температуры не более
3-5 оС до температуры примерно 160 оС (выше точки Кюри для образца №1). При относительно медленном нагреве допускается включение режимов II или III.

Выявите различие зависимостей С(Т) для образцов 1 и 2 и объясните его с учетом механизма поляризации и строения материалов.

3.1.5. Выключите нагреватель и мост переменного тока.

3.1.6. Проведя расчеты (табл. 1), постройте зависимости (Т) для двух образцов (на одном графике). Объясните полученные зависимости.

3.1.7. Проведя расчеты (табл. 1), рассчитайте и постройте зависимости ТК(Т) для двух образцов (на одном графике).

3.1.8*. Проверьте закон Кюри – Вейса для сегнетоэлектриков. Для образца №1 в области температур Т > TК постройте график зависимости 1/ от температуры. По угловому коэффициенту определите константу А, рассчитайте значение Т0. По значениям А, Т0 сделайте вывод о типе диэлектрика и механизме поляризации.

3.1.9. По полученным данным определяем класс керамики, применяемой в конденсаторах данного типа.

Испытание 2.

3.2. Исследование варикондов с помощью моста переменного тока Р5026 (перевернутая схема Шеринга).

Проведите анализ влияния величины напряжения и температуры на емкости конденсаторов №1 (К10 на основе пассивного диэлектрика – слюды) и №2 (ВК-2 на основе активного диэлектрика – сегнетоэлектрической керамики).

3.2.1. Изучите схему включения моста переменного тока для исследования емкости и тангенса угла диэлектрических потерь.

3.2.2. Балансируя мост Шеринга в соответствии с его описанием (глава 1), научитесь рассчитывать емкость Cx образцов по значению потенциометра R3.

3.2.3. Попеременно измеряя емкость образцов №1 и №2, снимите показания в процессе повышения напряжения на образцах (табл. 2) при комнатной температуре t0.


Таблица 2

Результаты измерений


Номер
образца


Параметр

t0 = ? оС

Напряжение U, В,

5



70


1

R3

?

?

?

С1, пФ

?

?

?

ε1

?

?

?

К

?

?

?


2

R3

?

?

?

С2, пФ

?

?

?

ε2

?

?


?

К

?

?

?

3.2.4. С учетом взаимосвязи емкости С(U) и относительной диэлектрической проницаемости рассчитайте значение (U) и К (табл. 2).

Уточненные геометрические параметры образцов приведены на стенде.

3.2.4. Постройте зависимости ε(U) и коэффициента нелинейности К(U) (на одном графике для двух образцов.

3.2.5. Анализ зависимости параметров от температуры

Установите указанное преподавателем напряжение на образцах (80 – 120 В). По разрешению преподавателя включите термостат и начните нагрев образцов. Последовательно измеряйте емкости образцов в диапазоне от комнатной t0 до 60–70 оС, снимая показания через каждые 5 оС (табл. 3).

3.2.6. Выключите термостат и прекратите нагрев образцов. Выключите мост переменного тока.

3.2.7. Проведя расчеты (табл. 3) постройте графики зависимостей
(Т) от температуры (одном графике для двух образцов).

3.2.8. Проведя расчеты, постройте зависимости TKε(Т) на одном графике для разных образцов.

3.2.9. Письменно объясните полученные данные.

Таблица 3

Результаты измерений

Номер
образца


Параметр

Напряжение испытания U = ? В

Температура, оС

t0




70


1

R3

?

?

?

С1, пФ

?

?

?

ε1

?

?

?

ТКε1, K1

?

?

?


2

R3

?

?

?

С2, пФ

?

?

?

ε2

?

?

?

ТКε2, K1

?

?

?


4. Отчетные материалы

Лабораторная работа относится к темам: Активные диэлектрики, ″Сегнетоэлектрики ″.

В лабораторной тетради представляются:

– заполненные таблицы;

– выполненные расчеты и построенные экспериментальные зависимости (для двух образцов на одном графике) для испытания 1: ε(Т), ТКε(Т), 1/(T), А, T0;

– выполненные расчеты и построенные экспериментальные зависимости (для двух образцов на одном графике) для испытания 2: ε(U), K(U), ТКε(Т);

– выводы, сравнение полученных экспериментальных данных с табличными значениями;

– ответы на контрольные вопросы, представленные в приложении.

К защите прилагается РГЗ с задачами по теме Поляризация″, Диэлектрические потери″, Активные диэлектрики, ″Сегнетоэлектрики ″.