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

31290. Дослідження схем синхронних та асинхронних цифрових автоматів з пам’яттю в пакеті Electronics Workbench 2.88 MB
  При моделюванні роботи синхронного автомата синхросерію слід подавати з генератора коливань обравши прямокутну форму імпульсів з параметрами близькими до вказаних на рис. Побудування логічних вентилів при синтезі синхронного автомата Якщо потрібно сформувати память автомата на Ттригерах не слід шукати їх в бібліотеці елементів так як їх фізично не існує необхідно побудувати Т тригер з JK тригера походячи з таблиці переходів. Часові діаграми роботи автомата слід скопіювати через буфер до редактора Paint або іншого графічного...
31291. Вивчення структури контролера КРВМ-2 та його засобів вводу-виводу 677.5 KB
  ЯПВВ - комірка програмованого вводу-виводу. Забезпечує зв’язок з зовнішніми об’єктами за будь-яким напрямком. До складу комірки входить мікросхема КР580ВВ55, порти якої з’єднані із зовнішніми приладами через шинні підсилювачі К589АП16, 2 шинних формувача КР580ВА86, мікросхеми К555ИД4 (здвоєний дешифратор 2 входи – 4 виходи), мікросхеми К155ТМ8 (4 D-тригери), К155ЛА3 (4 елементи 2І-НІ).
31292. Розрахунок генераторів пилкоподібної напруги 408 KB
  широко використовуються генератори пилкоподібної лінійнозмінної напруги. Часову діаграму пилкоподібної напруги наведено на рис.1 Часова діаграма пилкоподібної напруги Основними параметрами такої напруги є: тривалість робочого і зворотного ходу пилкоподібної напруги; період проходження імпульсів ; амплітуда імпульсів ; коефіцієнт нелінійності і коефіцієнт використання напруги джерела живлення .
31293. Розрахунок схем активних фільтрів 778 KB
  Апроксимація характеристик активних фільтрів зводиться до вибору таких коефіцієнтів цих поліномів що забезпечують найкраще в тому чи іншому значенні наближення до бажаних амплітудночастотної АЧХ чи фазочастотної характеристик фільтра.1 де відносна частота; частота зрізу; порядок фільтра. В фільтрі Чебишева апроксимуюча функція вибирається так щоб в смузі пропускання фільтра отримати відхилення його характеристики від ідеальної що не перевищує деякої заданої величини.2 де постійний коефіцієнт що визначає нерівномірність АЧХ...
31294. Мінімізація логічних функцій 449.5 KB
  Основна задача при побудові систем керування дискретними обєктами і процесами на основі логічних функцій: приведення логічних функцій керування до найбільш простого виду при якому система керування буде виконувати свої задачі. Для ручної мінімізації логічних функцій використовуються карти Карно і діаграми Вейча причому останні будують як розгорнення кубів на площині карти Карно.
31295. Тема: Синтез комбінаційних схем на мікросхемах середнього ступеня інтеграції Мета заняття:Закріпити отр. 1.08 MB
  Традиційно ця назва застосовується до вузлів робота яких не описується досить простим алгоритмом а задається таблицею відповідності входів і виходів.1 Якщо декодер має входів виходів і використовує всі можливі набори вхідних змінних то . Число входів і виходів декодера вказують таким чином: декодер 38 читається три на вісім 416 410 неповний декодер. Мультиплексор це функціональний вузол що здійснює підключення комутацію одного з декількох входів даних до виходу.
31298. Синтез схем синхронних автоматів з памяттю 3.18 MB
  Закріпити отримані теоретичні знання зі знань теорії дискретних автоматів, навчитися визначати бульові функції і будувати функціональні схеми простих синхронних автоматів, заданих словесним описом