69551

Вивчення властивостей нелінійних діелектриків

Лабораторная работа

Физика

На температурній залежності можна спостерігати максимуми проникності обумовлені фазовими переходами типу зсуву сегнетоелектричпа фаза зберігається і порядок безладдя перехід у параелектричну фазу. На польовій залежності можна спостерігати зростання і максимум...

Украинкский

2014-10-06

83 KB

0 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НТУУ “КПІ”

Кафедра мікроелектроніки

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА  № 7

Вивчення властивостей нелінійних діелектриків

Курс “Фізика твердого тіла”

Для бакалаврів електроніки

КИЇВ 2002

- 1 -

МЕТА   РОБОТИ  

Нелінійні властивості сегнетоелектриків виявляються у залежності їхньої діелектричної проникності від температури, напруженості змінного і постійного електричних полів.

На температурній залежності  можна спостерігати максимуми проникності,  обумовлені фазовими переходами типу зсуву (сегнетоелектричпа фаза зберігається) і порядок - безладдя (перехід у параелектричну фазу).

На польовій залежності можна спостерігати зростання і максимум проникності при збільшенні напруженості змінного поля, петлю гістерезиса, спад проникності при фіксованому змінному  і зростаючому постійному полі (реверсивна характеристика або характеристика керування).

Основна мета роботи -     експериментально визначити залежності проникності сегнетоелектрика від напруженостей змінного і постійного полів.

ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ

!. Вивчити основні теоретичні положення по нелінійним властивостям сегнетоелектриків.

2. Ознайомитися із приладами і роботою вимірювального стенда.

3. Визначити залежність проникності сегнетоелектрика від напруженості змінного електричного поля і подати її у графічному вигляді.

4. Визначити залежність проникності сегнетоэлектрика від напруженості постійного електричного поля при фіксованому змінному (реверсивну характеристику) і подати її у графічному вигляді.

5. Діапазон зміни напруги і частоту визначає викладач.

6. Зробити аналіз і висновки за результатами роботи.

7. Підготувати відповіді на контрольні питання.


  •  2 -

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Наявність доменної структури в сегнетоелектриках і можливість зміни напрямку вектора спонтанної поляризації призводять до появи в них, поряд із пружною і тепловою поляризацією, специфічного механізму поляризації - доменної ориентаційної.

Діелектрична проникність характеризується відношенням поляризованности P до напруженості електричного поля  E:

                                                           .                                                  (1)

Для сегнетоелектриків, у яких , це відношення має вигляд:

                                                            ,                                                 (2)

де Pu, P0 - внесок відповідно индукованих механізмів поляризації і орієнтаційиої поляризації.

Індукована поляризація є наслідком зсуву електронів, іонів і жорстко закріплених диполів під дією зовнішнього електричного поля.  Енергія, що витрачається на индуковану поляризацію, незначна, тому і діелектричні втрати при цьому механізмі поляризації звичайно малі.  У слабких полях поляризованість практично не залежить від напруженості поля.  Ориентаційна поляризація P0 обумовлена зміною доменної структури, тобто, переорієнтуванням доменів, зародженням доменів із новою орієнтацією вектора поляризації і рухом доменних стінок.  Таким чином, оріентаційна поляризація зводиться, у цілому, до зміни напрямку вектора спонтанної поляризації в деяких областях.  Це призводить до значної залежності поляризованості від напруженості зовнішнього електричного поля і супроводжується підвищенням втрат у сегнетоелектриках у сильних полях.

Оріентаційна поляризація доменів відповідальна за нелінійну  залежність діелектричної проникності від поля (мал.1а).   У слабких полях ( до 10 В/см) діелектрична проникність майже не залежить від поля, хоча і має досить високе значення ( ) у порівнянні зі звичайними діелектриками, обумовлене индукованою поляризацією і сильним спонтанним внутрішнім полем.  Зменшення проникності після  максимуму характеристики можна пояснити, виходячи із формули (2).  На цій ділянці поляризованість P0 не змінюється, оскільки вона досягла насичення, відносний внесок Pu незначний, а E продовжує збільшуватися.

Характеристика керування являє собою залежність діелектричної проникності  від напруженості  постійного поля  E=(Mал.1б).

 

                                                        - 3 -

 Діелектрична проникность сегнетоелектриків зменшується у постійному полі E=.  Така       залежність пояснюється ефектом «затиснення» доменів. Постійне поле орієнтує вектори спонтанної поляризації кожного домена по полю й утрудняє переорієнтування доменів змінним полем.   

                        а)                                       б)

                                        Мал.1

                                     МЕТОДИКА ВИМІРУ  

Діелектрична проникність на низьких частотах визначається шляхом виміру ємності конденсатора із сегнетоелектриком і наступним обчисленням проникності  по формулі плоского конденсатора:  

                                                                    ,                                                      (3)

де С - визначена ємність досліджуваного конденсатора;  Ф/м - електрична постійна; d і S - товщина і площа конденсатора.

                                      Ср                                      Rр

                                                            С

                         U1                R          U2                U=

                                             Мал.2

Ємність сегнетоелектричного конденсатора визначається шляхом вимірювання струмоу, що протікає через зразок, при відомих частоті f  і напругі на  зразку U.

Спрощена  схема вимірювального стенду приведена на мал.2.  

 Зневажаючи активною провідністю зразка, ємність сегнетоконденсатора розраховують по формулі:

                                                         ,                                   (4)

де I - струм, що протікає через конденсатор при напрузі (U1 - U2); f - частота змінної напруги; R - резистор, увімкнений послідовно  із сегнетоконденсатором; U2 - падіння напруги на цьому резисторі; U1 - повна напруга на RC - ланцюжку.

                                                             - 4 -

Призначення інших елементів схеми: Ср іпризначені для розділу ланцюгів змінної і постійної напруги; U= - вольтметр постійної напруги.

                           

Порядок виконання роботи

1.  Визначити залежність U2 = F(U1) у межах зміни напруги  U1=20…260V через 20V при U==0.

2. Визначити залежність U2 = F(U=) у межах зміни напруги  U= =0…240V через 20V  при  U1= const.  Значення U1 варто вибирати поблизу максимуму е.  (Мал.1а).

3. Обчислити: ємність сегнетоконденсатора по формулі (4), проникність по формулі (3) і напруяженість полів Е~= U1/d, Е= = U = / d .

4. Побудувати графіки залежностей ε  = ε (Е~) і ε  = ε (Е=).  

5. Результати вимірів і розрахунків занести в таблиці.

6. Провести аналіз результатів і зробити висновки.

Таблиця 1.  ε = ε (Е~) при U= = 0.                              Таблиця 2.  ε = ε (Е=) при U1  =

U1 , V

U2 , mV

C, F

ε

Е~, kV/m  

U==, V

U2 , mV

C, F

ε

Е=, kV/m  

20

0

40

20

60

40

80

60

100

80

120

100

140

120

160

140

180

160

200

180

220

200

240

220

260

240

                                                  Зміст звіту

  1.  Основна мета роботи.
  2.  Розрахункові співвідношення.
  3.  Результати вимірів і розрахунків, зведені к таблиці.
  4.  Графічні залежності ε  = ε (Е~) і ε  = ε (Е=).  
  5.  Аналіз результатів і висновки по роботі.

                                                КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

  1.  Які механізми поляризації характерні для сегнетоелектриків?
  2.  Що таке поляризованість і відносна діелектрична проникність?
  3.  Чим відрізняється спонтанна поляризація від индукованої?
  4.  Поясніть зростання проникності при збільшенні напруженості змінного поля і наявність максимуму?
  5.  Поясніть реверсивний вигляд характеристики керування.  Яке технічне застосування може мати ця властивість сегнетоелектриків?

- 5 -

ЛІТЕРАТУРА

  1.  Методические  указания к лабораторным роботам по курсу “Физика твердого тела”.  - Киев: КПИ, 1990.
  2.  Поплавко Ю.М. Физика диэлектриков.  - Киев: Выща школа, 1980.


Е
~

ε

ε

Е=

е. нач

εо

εнач

 

Джерело

постійної

напруги

Генератор

змінної

напруги

V

V

V


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48856. Проектирование линейной автоматической системы управления 2.6 MB
  Дана структурная схема объекта регулирования, имеющего два канала управления, состоящая из совокупности элементарных звеньев. Передаточные функции звеньев и их параметры известны.