Исследование сегнетоэлектриков

4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Сегнетоэлектриками называют вещества, у которых в отсутствие внешнего электрического поля в определённом интервале температур и давлений существует спонтанная электрическая поляризация, направление которой может быть изменено электрическим полем. Сегнетоэлектрики относятся к разряду полярных кристаллов и образуют подгруппу в группе пироэлектриков. В настоящее время число известных сегнетоэлектриков достигает нескольких сотен, что позволяет считать сегнетоэлектричество достаточно распространённым явлением в диэлектриках. Наиболее широко известны и исследованы сегнетоэлектрические кристаллы сегнетовой соли, титаната бария, триглицинсульфата, ниобата лития, а также поликристаллические (керамические) сегнетоэлектрики на основе титаната бария и цирконата – титаната свинца.

Применение сегнетоэлектрических материалов для создания малогабаритных конденсаторов, нелинейных элементов, электрооптических модуляторов, пироэлектрических приёмников излучения, запоминающих устройств ставит их в один ряд с важнейшими материалами электронной техники. В поляризованном состоянии сегнетоэлектрики являются хорошими пьезоэлектриками и находят широкое применение в пьезотехнике.

Свойства сегнетоэлектриков характеризуются рядом особенностей, среди которых можно выделить следующие:

1. Высокие значения диэлектрической проницаемости, достигающей десятков и сотен тысяч.

2. Наличие диэлектрического гистерезиса, т.е. отставание поляризации от приложенного электрического поля.

3. Сильная зависимость диэлектрической проницаемости от напряжённости электрического поля и от температуры. При определённой температуре, называемой точкой Кюри, сегнетоэлектрик испытывает фазовый переход, сопровождающийся изменением симметрии кристаллической решётки и исчезновением спонтанной поляризации. В точке Кюри диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения.

При понижении температуры ниже точки Кюри и отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики разбиваются на множество малых областей – доменов, в которых направление вектора спонтанной поляризации различно. Изменение спонтанной структуры сегнетоэлектриков под действием электрического поля приводит к дополнительным диэлектрическим потерям, которые определяются площадью гистерезисной петли, а также к зависимости диэлектрической проницаемости от напряжённости и вида приложенного поля.

 

 

-26-

 

4.2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

В настоящей работе свойства сегнетоэлектриков исследуются осциллографическим и другими методами на промышленной частоте. Схема установки приведена на рис.4.1, где использованы следующие обозначения:

G1 - регулируемый генератор переменного напряжения;

PV1 - вольтметр для измерения входного напряжения;

R1, R2 - делитель напряжения;

C - образцовый конденсатор для градуировки осциллографа;

C - базовый конденсатор большой ёмкости;

PV3 - ламповый милливольтметр для измерения падения напряжения на С ;

N - осциллограф;

C - испытуемый сегнетоэлектрический конденсатор;

PV2 - вольтметр для измерения постоянного напряжения смещения.

Для исследования сегнетоэлектриков по петлям гистерезиса на горизонтальный вход осциллографа (Вход Х) подаётся напряжение с резистора R1, пропорциональное полному напряжению на входе схемы, измеряемому вольтметром PV1. Приложенное напряжение падает в основном на испытуемом образце, так как его ёмкость C_x много меньше ёмкости последовательно соединённого образцового конденсатора C₀₂, с которого снимается напряжение на вертикальный вход осциллографа (Вход Y). В переменном поле заряды последовательно включённых конденсаторов равны. Поэтому падение напряжения на конденсаторе C₀₂ пропорционально заряду на нелинейном конденсаторе C_x:

Таким образом, на экране осциллографа можно видеть зависимость заряда сегнетоэлектрического конденсатора от напряжения на его обкладках.

Рис.4.1. Схема установки для исследования сегнетоэлектриков

 

Зная площадь электродов, легко рассчитать значение полной поляризации (электрический момент единицы объёма) образца:

 

(4.1)

 

 

-27-

 

Для исследования эффективной и реверсивной нелинейности сегнетоэлектриков используются регулируемые генераторы G1 и G2. Падение напряжения на образцовом конденсаторе С₀₂, пропорциональное заряду на С_x, измеряется с помощью милливольтметра PV3. Напряжение генератора G2, измеряемое PV2, управляет реверсивной ёмкостью сегнетоэлектрического конденсатора С_x.

Объектом исследования является варикондовая сегнетокерамика на основе титаната бария.

 

4.3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

 

Исследование свойств сегнетоэлектрика осциллографическим методом.