Работа №3 Исследование свойств керамических сегнетоэлектриков (Работа №3 «Исследование свойств керамических сегнетоэлектриков»)

Работа 3. Исследование свойств керамических сегнетоэлектриков.Цель работы — экспериментальное исследование электрическихсвойств керамических сегнетоэлектриков.1. Теоретическая частьСвойства,технологиясегнетоэлектриков.Кполученияиприменениесегнетоэлектрикамотносятсякерамическихматериалы,характеризующиеся спонтанной (самопроизвольной) электронной и ионнойполяризациями и имеющие доменное строение.

Наличие спонтаннойполяризации и доменное строение определяют высокую степень ихполяризуемостиигистерезисныйхарактерзависимостимеждуэлектрическим зарядом и напряжением на обкладках конденсатора,изготовленного на основе сегнетоэлектриков (рис. 1). Вследствие этогодиэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика высока и нелинейнозависит от напряженности электрического поля (рис. 2).Рис. 1Рис. 2Емкость конденсатора с нелинейным диэлектриком изменяется взависимости от электрического поля. Поэтому нелинейные диэлектрикиназывают еще активными (или управляемыми).Диэлектрическаяпроницаемостьсегнетоэлектриковсущественнозависит от температуры. Температуру, при превышении которой изменяетсяструктура и исчезают нелинейные свойства сегнетоэлектрика, называютточкой Кюри.Поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле формальноаналогично поведению Ферромагнетиков в магнитном поле.Помимо сегнетовой соли к сегнетоэлектрикам относятся титанат барияВа O Тi O2 , титанат стронция, титанат кадмия; титанат свинца и некоторыедругие материалы.

Они имеют различные значения диэлектрическойпроницаемости  ' , нелинейности и диэлектрических потерь.Наиболеераспространеннымкерамическимсегнетоэлектрикомявляется керамика на основе титаната бария.Керамический сегнетоэлектрик изотропен и проявляет характерныесвойства во всех направлениях; он механически прочен, не боится влаги и неменяет свойств даже после пребывания в воде.

Рассмотрим образованиедоменной структуры и пьезоэлектрический эффект на примере кристаллатитаната бария.Отдельныеэлементарныеячейки,которыеобразуюткристаллВа O Тi O2 (титанат бария), имеют форму куба (рис. 3а). В центре егорасположен ион титана, в вершинах – ионы бария, а в центре каждой грани –ионы кислорода.Рис. 3Каждый ион титана (см. рис. 3а) окружен шестью ионами кислорода иимеет некоторую свободу для перемещения. При температуре выше точкиКюри (для титаната бария она равна 125 °С) интенсивность тепловогодвижения достаточна для переброса иона, титана вблизи одного ионакислорода к другому, и нахождение иона титана вблизи каждого из нихравновероятно. При температуре ниже 125 °С, как показывает опыт, энергиятеплового движения оказывается недостаточной для переброса иона титанамежду окружающими его ионами кислорода.

При нахождении иона титанавблизи одного из ионов кислорода нарушается симметрия расположениязаряженных частиц, образующих элементарную ячейку, и у нее возникаетэлектрический момент (рис. 3б). Одновременно искажается форма ячейки.Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеекприводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласованно,в одном направлений, а это, в свою очередь, приводит к образованиюдоменов – областей, обладающих спонтанной поляризацией. В каждомдомене электрические моменты элементарных ячеек направлены в однусторону, но в отдельных доменах электрические моменты имеют различныенаправления.

При этом кристалл не создает вне себя электрическое поле, чтосоответствует минимуму свободной энергии кристалла.При приложении внешнего поля кристалл, состоящий из большогочисла доменов, становится подобен большому электрическому диполю.Если в кристалле происходит спонтанная поляризация, то ейсопутствует и спонтанная деформация кристалла (пьезоэффект). Спонтаннаяполяризация связана с геометрическими размерами ячеек.Пьезоэлектрическимразмеровобразцаэффектомматериаланазываютподизменениедействиемгеометрическихэлектрическогополя.(Пьезомодуль используемых на практике пьезоэлектриков имеет порядок10-10 Кл/Н.) Пьезоэлектрический эффект обратим, т.е. при изменениигеометрическихразмеровобразцаподдействиемприложенныхмеханических сил на гранях его возникает электрический заряд.

Значениевозникающих на поверхности диэлектрика электрических зарядов связанолинейно со значениями приложенных механических сил: Q = dF илиQF d , тогда q=dσ, где Q – заряд; d – пьезомодуль; F – сила; S – площадь;SSq – заряд который приходится на единицу площади; σ – давление наповерхность диэлектрика.При действии переменного электрического поля геометрическиеразмеры образца будут изменяться в такт с изменением электрического поля,т.е. под воздействием переменного электрического поля в образце возникаютмеханические колебания. Эти колебания будут иметь максимальнуюамплитуду, когда частота электрических колебаний будет равна частотесобственных механических колебаний образца материала.

Собственнаячастота колебаний исследуемого образца зависит от его геометрическихразмеров и модуля упругости материала.Поликристаллическиеобразцытитанатабариянеобладаютпьезоэлектрическими свойствами вследствие хаотического расположениякристаллов и деления их на домены со спонтанной поляризацией вразличных направлениях. Чтобы поликристаллические материалы обладалипьезоэффектом,ихобрабатываютспециальнымобразом,получаяупорядоченную структуру, близкую к монокристаллической. Обработказаключается в следующем: пластину керамического сегнетоэлектриканагреваютдотемпературынескольконижеточкиКюриизатемприкладывают к ней постоянное высокое напряжение. В таком состоянииобразцы выдерживают около 30 ч, затем их медленно охлаждают, не снимаяпостоянного напряжения.

Когда температура образцов станет равной20...30°С, напряжение снимают.При длительном действии высокого напряжения и повышеннойтемпературе в материале медленно происходят процессы, связанные сориентациеймолекулилигруппмолекул,структураматериалаупорядочивается, приближаясь к структуре монокристалла.Сегнетоэлектрики применяютдля изготовлениямалогабаритныхконденсаторов большой емкости, конденсаторов с резко выраженнойзависимостью емкости от приложенного напряжения: С = f(U) – варикондов.Такиеконденсаторымогутбытьиспользованывмодуляторах,диэлектрических усилителях, счетно-решающих устройствах, датчикахтемператур, терморезонаторах и т.д.Диэлектрические потери у сегнетокерамики на основе титаната бариявесьма велики, особенно на высоких частотах электромагнитного поля,поэтому область ее применения ограничена.

На частотах больше 107 Гцпроисходит значительное возрастание tg δ и уменьшение ε’Электрическая прочность сегнетокерамики невысока и снижается приболее низких температурах в отличие от других керамических материалов.2. Экспериментальное определение зависимостей u=φ1(f) образцасегнетоэлектрикаДля экспериментального определения зависимости u  1 ( f ) используетсяспециальный стенд (рис. 4, где C1 – разделительный конденсатор небольшойемкости; С2 – емкость образца сегнетоэлектрика).Рис. 4Ламповый вольтметр pV измеряет напряжение на емкости образца.

НавыходегенератораВЧвключенемкостныйделительнапряжения,следовательно, падение напряжения на исследуемом образце определяетсясоотношением значений С2 и С1. При изменении частоты генераторараспределение напряжения между емкостями С2 к С1 будет меняться. Приэтом зависимости показаний вольтметра от частоты генератора имеет вид,показанный на рис. 5а .Пластинасегнетоэлектрика,обладающаяпьезоэлектрическимисвойствами, является резонансной системой.

Ее характеристики аналогичныхарактеристикам колебательного контура, в котором в одной ветви включеныиндуктивность и емкость, а в другой – только емкость (рис. 5б).АБРис. 5Когда частота генератора электрических колебаний будет равнасобственной частоте механических колебаний образца сегнетоэлектрика, внем наступят резонансные явления (последовательный резонанс в левойветви контура – см. рис. 5б). Эта явления сопровождаются значительнымуменьшением электрического сопротивления пластинки сегнетоэлектрика,что приводит к перераспределению напряжения между конденсаторами С1 иС2 (см.на рис.

5а).На несколько более высокой частоте (см.резонанспараллельногоколебательногона рис. 11а) наблюдаетсяконтура,электрическоесопротивление возрастает, и это также приводит к перераспределениюнапряжениямеждуконденсаторами,которое,легкообнаружитьпопоказаниям вольтметра.В качестве генератора электрических колебаний в данной работеиспользуется генератор низкочастотных сигналов ГЗ-112. Напряжение наисследуемом образце измеряется с помощью милливольтметра В3-38.На рисунке 6 приведено изображение органов настройки генератораГЗ-112.

Переключателем 1 осуществляется включение прибора в сеть. Спомощью вращения диска 2 производится регулировка частоты колебанийсигнала генератора, рукояткой 3 устанавливается множитель частоты.Регуляторы 4 и 5 устанавливают величину уровня выходного сигнала.Рис. 6Лицевая панель милливольтметра В3-38 приведена на рисунке 7.Рис.

7Переключателем 1 осуществляется включение прибора в сеть. С помощьюрукоятки 2 осуществляется переключение пределов измерения прибора.Считывание значений производится по шкале 3.3. Порядок выполнения работы1. Ознакомиться с используемыми приборами – генератором ГЗ-112,милливольтметром В3-38.2. Подключить генератор и вольтметр к лабораторному макету,согласно структурной схеме на рис. 4.

Включить приборы в сеть.3. Снять зависимость падения напряжения на образце сегнетоэлектрикаот частоты. Изменение частоты выходного сигнала генератора ГЗ-112осуществляется диском 2, переключение пределов изменения частоты –ручкой 3. Частоту колебаний сигнала следует изменять в диапазоне от 0.1 до1 МГц. Величина напряжения на образце фиксируется милливольтметромВ3-38. Ручкой 2 осуществляется изменение пределов измерения, покаизмерительная стрелка не отклониться в рабочую область шкалы 3, покоторой фиксируется значение напряжения с учетом ручки множителя 2.4. Определить значение емкости и тангенса угла потерь с помощьюцифрового измерителя емкости Е8-4.