ID: 69551

Название работы: Вивчення властивостей нелінійних діелектриків

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Физика

Описание: 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...

Язык: Украинкский

Дата добавления: 2014-10-06

Размер файла: 83 KB

Работу скачали: 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 і Rр призначені 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