Работа 3. Исследование свойств керамических сегнетоэлектриков

Цель работы — экспериментальное исследование электрических свойств керамических сегнетоэлектриков.

1. Теоретическая часть

Свойства, технология получения и применение керамических сегнетоэлектриков. К сегнетоэлектрикам относятся материалы, характеризующиеся спонтанной (самопроизвольной) электронной и ионной поляризациями и имеющие доменное строение. Наличие спонтанной поляризации и доменное строение определяют высокую степень их поляризуемости и гистерезисный характер зависимости между электрическим зарядом и напряжением на обкладках конденсатора, изготовленного на основе сегнетоэлектриков (рис. 1). Вследствие этого диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика высока и нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис. 2).

Рис. 1 Рис. 2

Емкость конденсатора с нелинейным диэлектриком изменяется в зависимости от электрического поля. Поэтому нелинейные диэлектрики называют еще активными (или управляемыми).

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков существенно зависит от температуры. Температуру, при превышений которой изменяется структура и исчезают нелинейные свойства сегнетоэлектрика, называют точкой Кюри.

Поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле Формально аналогично поведению Ферромагнетиков в магнитном поле.

Помимо сегнетовой соли к сегнетоэлектрикам относятся титанат бария , титанат стронция, титанат кадмия; титанат свинца и некоторые другие материалы. Они имеют различные значения диэлектрической проницаемости , нелинейности и диэлектрических потерь.

Наиболее распространенным керамическим сегнетоэлектриком является керамика на основе титаната бария.

Керамический сегнетоэлектрик изотропен и проявляет характерные свойства во всех направлениях; он механически прочен, не боится влаги и не меняет свойств даже после пребывания в воде. Рассмотрим образование доменной структуры и пьезоэлектрический эффект на примере кристалла титаната бария.

Отдельные элементарные ячейки, которые образуют кристалл (титанат бария), имеют форму куба (рис. 3а). В центре его расположен ион титана, в вершинах - ионы бария, а в центре каждой грани - ионы кислорода.

Рис. 3

Каждый ион титана (см, рис. 3а) окружен шестью ионами кислорода и имеет некоторую свободу для перемещения. При температуре выше точки Кюри (для титаната бария она равна 125 °С) интенсивность теплового движения достаточна для переброса иона, титана вблизи одного иона кислорода к другому, и нахождение иона титана вблизи каждого из них равновероятно. При температуре ниже 125 °С, как показывает опыт, энергия теплового движения оказывается недостаточной для переброса иона титана между окружающими его ионами кислорода. При нахождении иона титана вблизи одного из ионов кислорода нарушается симметрия расположения заряженных частиц, образующих элементарную ячейку, и у нее возникает электрический момент (рис. 3б). Одновременно искажается форма ячейки.

Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них со­гласованно, в одном направлений, а это, в свою а очередь, приводит к образованию доменов - областей, обладающих спонтанной по­ляризацией. В каждом домене электрические моменты элементарных ячеек направлены в одну сторону, но в отдельных доменах электри­ческие моменты имеют различные направления. При этом кристалл не создает вне себя электрическое поле, что соответствует мини­муму свободной энергии кристалла.

При приложении внешнего поля кристалл, состоящий из боль­шого числа доменов, становится подобен большому электрическому диполю.

Если в кристалле происходит спонтанная поляризация, то ей сопутствует и спонтанная деформация кристалла (пьезоэффект). Спонтанная поляризация связана с геометрическими размерами ячеек.

Пьезоэлектрическим эффектом называют изменение геометри­ческих размеров образца материала под действием электрического поля. (Пьезомодуль используемых на практике пьезоэлектриков имеет порядок

10^-10 Кл/Н.) Пьезоэлектрический эффект обратим, т.е. при изменении геометрических размеров образца под действием приложенных механи­ческих сил на гранях его возникает электрический заряд. Значение возникающих на поверхности диэлектрика электрических зарядов связано линейно со значениями приложенных механических сил: Q=dF или , тогда q=dσ , где Q – заряд; d – пьезомодуль; F – сила; S – площадь; q – заряд кото­рый приходится на единицу площади; σ - давление на поверхность диэлектрика.

При действии переменного электрического поля геометричес­кие размеры образца будут изменяться в такт с изменением элект­рического поля, т.е. под воздействием переменного электрического поля в образце возникают механические колебания. Эти колебания будут иметь максимальную амплитуду, когда частота электрических колебаний будет равна частоте собственных механических колебаний образца материала. Собственная частота колебаний исследуемого об­разца зависит от его геометрических размеров и модуля упругости материала.

Поликристаллические образцы титаната бария не обладают пьезоэлектрическими свойствами вследствие хаотического расположения кристаллов и деления их на домены со спонтанной поляризацией в различных направлениях. Чтобы поликристаллические мате­риалы обладали пьезоэффектом, их обрабатывают специальным образом, получая упорядоченную структуру, близкую к монокристалли­ческой. Обработка заключается в следующем: пластину керамическо­го сегнетоэлектрика нагревают до температуры несколько ниже точ­ки Кюри и затем прикладывают к ней постоянное высокое напряжение. В таком состоянии образцы выдерживают около 30 ч, затем их мед­ленно охлаждают, не снимая постоянного напряжения. Когда темпе­ратура образцов станет равной 20...30°С, напряжение снимают.

При длительном действии высокого напряжения и повышенной температуре в материале медленно происходят процессы, связанные с ориентацией молекул или групп молекул, структура материала упорядочивается, приближаясь к структуре монокристалла.

Сегнетоэлектрики применяют для изготовления малогабарит­ных конденсаторов большой емкости, конденсаторов с резко выра­женной зависимостью емкости от приложенного напряжения:С = f(U)- варикондов. Такие конденсаторы могут быть использованы в модуляторах, диэлектрических усилителях, счетно-решающих уст­ройствах, датчиках температур, терморезонаторах и т.д.

Диэлектрические потери у сегнетокерамики на основе титаната бария весьма велики, особенно на высоких частотах электро­магнитного поля, поэтому область ее применения ограничена. На частотах больше 10⁷ Гц происходит значительное возрастание tg δ и уменьшение ε’

Электрическая прочность сегнетокерамики невысока и снижа­ется при более низких температурах в отличие от других керами­ческих материалов.

2. Экспериментальное определение зависимостей

u=φ₁(f) образца сегнетоэлектрика

Для экспериментального определения зависимости используется специальный стенд (рис. 4, где C₁ - разделительный конденсатор не­большой емкости; С₂ - емкость образца сегнетоэлектрика).

Рис. 4

Ламповый вольтметр pV из­меряет напряжение на емкости образца. На выходе генератора ВЧ включен емкостный делитель напряжения, следовательно, падение напряжения на исследуемом образце определяется соотношением значений С₂ и С₁ . При изменении частоты генератора распределение напряжения между емкостями С₂ к С₁ будет меняться. При этом зависимости показаний вольтметра от частоты генератора имеет вид, показанный на рис 5а .

Пластина сегнетоэлектрика, обладающая пьезоэлектрическими свойствами, является резонансной системой. Ее характеристики аналогичны характеристикам колебательного контура, в котором в одной ветви включены индуктивность и емкость, а в другой - только емкость (рис. 5б).

а б

Рис. 5

Когда частота генератора электрических колебаний будет равна собственной частоте механических колебаний образца сегнетоэлектрика, в нем наступят резонансные явления (последовательный резонанс в левой ветви контура - см. рис. 5б). Эта явления сопровождаются значительным уменьшением электрического сопротивления пластинки сегнетоэлектрика, что приводит к перераспределению напряжения между конденсаторами С₁ и С₂ (см. на рис. 5а).

На несколько более высокой частоте (см. на рис. 11а) наблюдается резонанс параллельного колебательного контура, электрическое сопротивление возрастает, и это также приводит к перераспределению напряжения между конденсаторами, которое, легко обнаружить по показаниям вольтметра.

В качестве генератора электрических колебаний в данной работе используется генератор низкочастотных сигналов ГЗ-112. Напряжение на исследуемом образце измеряется с помощью милливольтметра В3-38.

На рисунке 6 приведено изображение органов настройки генератора ГЗ-112. Переключателем 1 осуществляется включение прибора в сеть. С помощью вращения диска 2 производится регулировка частоты колебаний сигнала генератора, рукояткой 3 устанавливается множитель частоты. Регуляторы 4 и 5 устанавливают величину уровня выходного сигнала.

Рис. 6

Лицевая панель милливольтметра В3-38 приведена на рисунке 7.

Рис. 7

Переключателем 1 осуществляется включение прибора в сеть. С помощью рукоятки 2 осуществляется переключение пределов измерения прибора. Считывание значений производится по шкале 3.

3. Порядок выполнения работы

1. 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 сегнетоэлектрика от частоты. Изменение частоты выходного сигнала генератора ГЗ-112 осуществляется диском 2, переключение пределов изменения частоты – ручкой 3. Частоту колебаний сигнала следует изменять в диапазоне от 0.1 до 1 МГц. Величина напряжения на образце фиксируется милливольтметром В3-38. Ручкой 2 осуществляется изменение пределов измерения, пока измерительная стрелка не отклониться в рабочую область шкалы 3, по которой фиксируется значение напряжения с учетом ручки множителя 2.

4. Определить значение емкости и тангенса угла потерь с помощью цифрового измерителя емкости Е8-4. Для этого подключить измерительную линию прибора непосредственно к образцу, установленному на задней стороне лабораторного макета, и считать измеренные значения с цифрового индикатора.

4. Содержание отчета

1. Указать цель работы.

2. Построить графики зависимостей .

3. Провести анализ закономерностей, полученных эксперимен­тально.

4. Ответить на контрольные вопросы.

5. Вопросы для проверки

1. Какие типы поляризации присущи сегнетоэлектрикам?

2. Какова зависимость ε’ от E у керамических сегнетоэлектриков?

3. Что такое пьезоэффект?

4. В чем состоит особенность технологии получения керами­ческой сегнетокерамики; обладающей пьезоэффектом?

5. Где применяются сегнетоэлектрики?

6. Объяснить работу экспериментальных стендов для снятия зависимостей и