Файл: метод МЭТ 12345 раб.doc

Рис. 1. Петля диэлектрического гистерезиса

сегнетоэлектриков

Напряжённость поля, при которой происходит изменение спонтанной поляризации, называется коэрцитивной силой. Площадь петли пропорцио-нальна энергии, рассеянной за один период. Наличие петли гистерезиса – основное свойство, отличающее сегнетоэлектрики от других классов ди-электриков.

Диэлектрическая проницаемость, которая обусловлена спонтанной по-ляризацией, характеризуется нелинейной зависимостью от напряжённости электрического поля (рис.2).

Рис. 2. Зависимость ε от напряжённости прило- женного электрического поля (а) и от

температуры (б)

Так как заряд конденсатора с сегнетоэлектриком значительно больше, чем с нелинейным диэлектриком, при тех же значениях разности потенциа-лов из-за сверхвысокой величины ε материалов этой группы, на кривой рис.2 сделаны разрывы.

Значительная зависимость поляризации от температуры и проявление сегнетоэлектрических свойств обнаруживается только в определённых тем-пературных интервалах. У большинства наиболее употребляющихся сегне-тоэлектриков их сегнетоэлектрические свойства появляются при всех темпе-ратурах, вплоть до некоторой предельной, при которой происходит измене-ние структуры материала и сегнетоэлектрические свойства исчезают. Эту температуру называют точкой Кюри. Диэлектрическая проницаемость ε ве-щества при температуре точки Кюри (T_K) максимальна (рис. 2,б).

Таким образом, поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле формально представляет собой аналогию с поведением железа и других магнетиков в магнитном поле.

Сегнетоэлектрики в определённых условиях являются и ярко выражен-ными пьезоэлектриками, т.е. диэлектриками, поляризованность которых су-щественно меняется при механических воздействиях.

Рассмотрим упрощённую схему расположения в кристалле BaTiO₃ до воздействия внешнего электрического поля и после его приложения (рис. 3 а, б).

Рис. 3. Схема расположения доменов в кристалле в

отсутствие поля (а) и при наличии внешнего

поля (б).

На рис. 3 видно, что под воздействием поляризующего поля кристалл становится подобен диэлектрическому диполю. На противоположных по-верхностях, перпендикулярных к направлению электрического момента, по-являются электрические заряды, равные по величине, но противоположные по знаку. Однако заряды на поверхности будут нейтрализованы притянутыми к ней заряженными частицами противоположного знака, которые всегда име-ются во внешней среде.

Сегнетоэлектрики нашли широкое применение в варикондах. Вариконд - это нелинейный диэлектрический конденсатор, ёмкость которого зависит от приложенного напряжения (слово «вариконд» - произошло от слов «вариа-ция» и «конденсатор»).

В варикондах ёмкость изменяется за счёт изменения диэлектрической проницаемости ε. Аналогичные полупроводниковые конденсаторы называют варикапами, у которых ёмкость изменяется под воздействием напряжения в результате изменения расстояния между обкладками, областями p и n полу-проводника.

Конструктивно вариконды выполняются в виде плоских керамических конденсаторов – дисковых или плёночных. В зависимости от области приме-нения в них используются два вида диэлектрической нелинейности – эф-фективная и реверсивная.

Эффективная нелинейность – изменение эффективной диэлектрической проницаемости ε_эф в зависимости от амплитуды напряжённости электриче-ского поля E_m. Эффективную ёмкость конденсатора C_эф определяют по дей-ствующему значению несинусоидального тока, протекающего через кон-денсатор при заданном действующем напряжении с угловой частотой ω:

С увеличением амплитуды напряжённости поля E_m значение ε_эф возрас-тает от начального ε_н до максимального ε_max, после чего уменьшается, снова приближаясь к ε_н (рис.4).

Такой вид зависимости ε_эф от E_m объясняется нелинейностью доменной поляризации в общей поляризованности сегнетоэлектрика, т.к.

В слабых полях с амплитудами напряжённости, меньшими коэрци-тивной силы E_C , зависимость P от E практически линейна, доменная поляри-зация осуществляется только за счёт обратимого смещения доменных стенок (область I на рис. 4).

Рис. 4. Зависимость ε_эф от амплитуды напряжённости

электрического поля (E_m)

С приближением E_m к E_C (область II) появляется переполяризация доменов путём необратимого смещения доменных стенок; две ветви петли гистере-зиса разделяются и дополнительный механизм доменной поляризации при-водит к увеличению ε_эф (2). При E_m > E_C (область III) переполяризуется весь объём образца, доменная поляризованность достигает насыщения (при этом для монокристаллов она равна P_S), а ε_эф снижается с ростом E_m за счёт увели-чения знаменателя в формуле (2) при почти постоянном числителе. Макси-мального значения ε_max достигает при амплитуде напряжённости поля, близ-кой к коэрцитивной силе данного материала.

Количественно эффективная нелинейность характеризуется отношени-ем максимальной проницаемости к начальной:

называемым коэффициентом эффективной нелинейности, а также амплиту-дой напряжённости поля E_max , при которой ε_эф достигает максимума.

Чем больше K_эф и чем ниже E_max , тем выше эффективная нелинейность мате-риала. При работе вариконда на линейном участке зависимости ε_эф = f(E_m) два указанных параметра можно заменить одним коэффициентом

Эффективная нелинейность существует лишь на низких частотах. При высокой частоте, когда полупериод приложенного напряжения становится меньше времени пере поляризации доменов, вклад в ε_эф механизма необрати-мого смещения доменных стенок исчезает и ε_эф практически не зависит от E_m . Поэтому с ростом частоты ε_эф уменьшается, а E_max растёт (рис. 5).

Эффективную нелинейность используют в стабилизаторах переменного напряжения, в устройсьвах искрогашения, для повышения контрастности электрооптических устройств изображения, индикаторов, телевизионных экранов.

Вариконд обычно работает на начальном крутом участке кривой ε_эф(E_m), когда коэффициен нелинейности N_эф максимален. Для создания варикондов необходимы материалы ВК-1 – ВК-6, обладающие большой эффективной не-линейностью. Их основные свойства приведены в таблице 1.

Рис. 5. Зависимость ε_эф сегнетоэлектрика ВК-1 от E_m

Таблица 1- Свойства сегнетокерамики

В настоящее время сегнетоэлектрики привлекают всё более широкое внимание специалистов, работающих в технике СВЧ, благодаря тому, что по-зволяет расширить возможности приборов и устройств СВЧ по сравнению с приборами на основе полупроводниковых материалов и ферритов. Сегнето-электрики технологически более просты, обладают большей, чем полупро-водники электрической и радиационной стойкостью, значительно более эко-номичны по энергопотреблению, чем ферриты. Используя свойство сегнето-электрика существенно изменять величину его диэлектрической проницае-мости от напряжённости приложенного электрического поля, можно выпол-нить волновод или другую линию передачи с электрически управляемой фа-зовой скоростью, электрически перестраиваемые фильтры, переключатели, параметрические усилители, …

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации низкочастотного измерителя

полных сопротивлений (приложение №1).

2. Подключить измеряемый вариконд к прибору и измерить ёмкость конден-

сатора при комнатной температуре.

3. Включить термостат и снять зависимость ёмкости вариконда от темпера-

туры в диапазоне (20-100 ºC).

4. Из графика зависимости C = f(T) определить точку Кюри сегнетоэлектрика.

5. По известным геометрическим размерам вариконда (задаются преподава-

телем) найти начальное и максимальное значения диэлектрической прони-

цаемости сегнетоэлектрика:

где S – площадь пластины

d – толщина диэлектрика

ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума

Требования отчёта

1. Привести основные теоретические сведения о сегнетоэлектриках.

2. Привести технические данные приборов, используемых в работе, их наи-

менование, марку.

3. Привести результаты измерений с указанием размерностей используемых

значений.

4. Выводы по работе.

5. Ответить на вопросы (приложение №1).

Правила техники безопасности

Проверить наличие заземления прибора.

Л и т е р а т у р а

1. Пасынков В. В. Материалы электронной техники. – Высш. школа, 1980.

2. Электрорадиоматериалы / под ред. Б. М. Тареева, М., 1978.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Контрольные вопросы

1.Основные особенности сегнетоэлектриков, отличающие их от других клас-

сов диэлектриков?

2. Связь спонтанной поляризации с пьезоэлектрическим эффектом на приме-

ре BaTiO₃.

3. Какие вещества называют сегнетоэлектриками?

4. Что такое «точка Кюри»?

5. Петля диэлектрического гистерезиса и её характерные точки.

6. Какой характер зависимости ε = f(E) и ε = f(T)?

7. Что такое вариконд, каковы его применения?

8. Что такое эффективная нелинейность?

9. Каков характер зависимости ε_эф = f(E_m , f)?