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文檔簡介
1、鐵電體電滯回線及居里溫度的測量自從1921年了J.Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽是鐵電體以來,迄今為止陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的新鐵電材料已達一千種以上。鐵電材料不僅在電子工業(yè)部門有廣泛的應(yīng)用,而且在計算機、激光、紅外、徽波、自動控制和能源工程中都開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。電滯回線是鐵電體的主要特征之一,電滯回線的測量是檢驗鐵電體的一種主要手段。通過電滯回線的測量可以獲得鐵電體的一些重要參數(shù)。在居里溫度處,鐵電材料的許多物理性質(zhì)將發(fā)生突變,因此居里溫度的測量對研究鐵電體的性質(zhì)有重要的的意義。通過本實驗可以了解鐵電體的基本特性,掌握電滯回線及居里溫度的一種測量方法。一、實驗原理1. 電滯回線。我們知道,全部晶體按其結(jié)構(gòu)的對
2、稱性可以分成32類(點群)。32類中有10類在結(jié)構(gòu)上存在著唯一的“極軸”,即此類晶體的離子或分子在晶格結(jié)構(gòu)的某個方向上正電荷的中心與負電荷的中心重合。所以,不需要外電場的作用,這些晶體中就已存在著固有的偶極矩,或稱為存在著“自發(fā)極化”。如果對具有自發(fā)極化的電介質(zhì)施加一個足夠大(如kV/cm)的外電場,該晶體的自發(fā)極化方向可隨外電場而反向,則稱這類電介質(zhì)為“鐵電體”。眾所周知,鐵磁體的磁化強度與磁場的變化有滯后現(xiàn)象,表現(xiàn)為磁滯回線。正如鐵磁體一樣鐵電體的極化強度隨外電場的變化亦有滯后現(xiàn)象,表現(xiàn)為“電滯回線”,且與鐵電體的磁滯回線十分相似。鐵電體其它方面的物理性質(zhì)與鐵磁體也有某種對應(yīng)的關(guān)系。比如電
3、疇對應(yīng)于磁疇。激發(fā)極化方向一致的區(qū)域(一般)稱為鐵電疇,鐵電疇之間的界面稱為磁壁。兩電疇反向平行排列的邊界面稱為180°磁壁,兩電疇互相垂直的疇壁稱為90°疇壁。在外電場的作用下,電疇取向態(tài)改變180°的稱為反轉(zhuǎn),改變90°的稱為90°旋轉(zhuǎn)。晶體中每個電疇方向都相物的則稱為單疇,若每個電疇的方向各不相同,則稱為多疇。圖1 電滯回線電滯回線是鐵電體的主要特征之一,電滯回線的測量是檢驗鐵電體的一種主要手段。通過電滯回線的測量可以獲得鐵電體的自發(fā)極化強度,剩場極化強度,矯頑場及鐵電耗損等重要參數(shù),如圖1所示。該圖是典型的電滯回線。當外電場施加于晶體時
4、,極化強度方向與電場方向平行的電疇變大,而與之反平行方向的電疇則變小。隨著外電場的增加,極化強度開始沿圖1中段變化,電場繼續(xù)增大,逐漸飽和,如圖中的段所示,此時晶體已成為單疇。將段外推至電場時的軸圖中虛線所示),此時在軸上所得截距稱為飽和極化強度,是每個電疇原來已經(jīng)存在的自發(fā)極化強度。當電場由圖中處開始降低時,晶體的極化強度隨之減小,但不是按原來的曲線降至零,而是沿著曲線變化。當電場降至零時,其極化強度稱為剩余極化強度。剩余極化強度是對整個晶體而言的(電場強度為零后,晶體部分回復(fù)多疇狀態(tài),極化強度又被抵消了一部分)。當反向電場增加至時,剩余極化強度全部消失,稱為矯頑電場強度。當反向電場繼續(xù)增加
5、時,沿反向電場取向的電疇逐漸增多,直至整個晶體成為一個單一極化方向的電疇為止(即圖1中點)。如此循環(huán)便成為一電滯回線。圖2 鈦酸鋇的電滯回線剩余極化強度一般小于自發(fā)極化強度。但如果晶體成為單疇,則等于。所以,某一材料的與相差愈多,則該材料愈不易成為單疇。圖2所示為鈦酸鋇單晶和多晶(陶瓷)電滯回線的對比。由圖可見,陶瓷體雖經(jīng)過電場極化,仍不容易成為單疇,單晶體的等于。(1)電滯回線的測定。測量鐵電材料電滯回線的方法通常有兩種:1. 沖擊檢流計描點法;2. 示彼器示波圖法。本書介紹第二種方法。圖3 Sawer-Tower電路原理圖示波器圖示法又稱Sawer-Tower電路法,圖3便是Sawer-T
6、ower電路原理圖。圖中為待測樣品。為大電容,與串聯(lián)。為了消除和之間的相位差,在電容上并聯(lián)了一個電阻,調(diào)整的大小便可使,的相位相同。因為和是串聯(lián)的故兩個電容器上的電荷是一樣多的,即 ()式中為樣品的有效電極面積,為電位移。對于鐵電陶瓷,故,從而與極化強度成正比,即 ()由于,故,(電源電壓),所以 ()式中為樣品兩端的電場強度。上式表明,從上取出的電壓正比于樣品的電場強度。若將,分別接到示波器的Y,X軸上,便可以在示波器上看到P-E (或D-E)曲線,即電滯回線。圖3中的叫補償電組,用于校正因樣品漏電導(dǎo)和感應(yīng)極化耗損而產(chǎn)生的和之間的相位差。這個相位差會給電滯回線帶來疇變。補償電阻的調(diào)整是容易的
7、,但不容易準確。所以,此法不適宜弱電性和高損耗的樣品。(2),和的測量。測出樣品的電滯回線后,根據(jù)示波器上Y軸和X袖的比例尺,便可以求出,和的數(shù)值。Y軸(電量)比例尺的確定:使示波器X軸輸入短路,屏示高度為 (mm),則縱軸比例尺為 ()式中為標準電容(),為電壓有效值(V),為示波器上的高度(mm)。X軸(電壓)比例尺的確定:使示波器上Y軸輸入短路,示波器寬度為(mm),若此時電源電壓為,則X軸比例尺為 ()的測量:從示波器讀取與橫軸(電壓)的原點相應(yīng)的縱軸(電量)的讀數(shù)為(即圖1)中的線段,縱軸比例尺為,樣品的電極面積為,則剩余極化強度為 () 的測量:從示波圖上得電滯回線中飽和段外推至時
8、交于點,測得所截線段(圖1中線段),測得其長度為格(即),設(shè)縱軸比例尺為格。則自發(fā)極化強度為. ()的測量:設(shè)測得樣品厚度為 (mm),巳知示波圖的橫軸(電壓)的比例尺為(V/mm)從示波器圖上量得縱軸(電荷軸)為零時相應(yīng)的橫軸電壓)的長度(圖1)中的OE線段為(mm),則矯頑力場強為 ()2. 鐵電體居里的溫度測量。鐵電壓電陶瓷材料在某一溫度范圍內(nèi)具有鐵電特性,即具有激發(fā)極化和電滯回線的特性。當溫度達到某一臨界值時,這些材料會發(fā)生相變,由鐵電相變?yōu)榉氰F電相,自發(fā)極化隨之消失,這一臨界溫度稱為居里(點)溫度或居里點,通常用表示。在居里溫度處,鐵壓電材料的許多物理性質(zhì)(如介電常數(shù),熱容量,熱膨脹
9、系數(shù)等)都將發(fā)生突變。在有些鐵壓電體中,在低于居里點溫度時,還可以發(fā)生從一種鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N鐵電相的相變。如鈦酸鋇在處(居里溫度),由立方順電相變?yōu)樗姆借F電相,然后在附近由四方相變?yōu)檎昏F電相。在處由正交相變?yōu)槿借F電相。這些極化狀態(tài)變化的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度。因此,只要測定這種突變點的溫度就能定出鐵壓電體材料的居里點的溫度。實臉表明,在溫度高于居里溫度時,介電常量和溫度的關(guān)系遵從居里-外斯定律: ()式中為居里常量;為特征溫度,稱為居里-外斯溫度,它等于或者稍低于居里溫度。測量居里溫度的方法很多,有Sawer-Tower電路示波器觀察電滯回線突變法、傳輸線路法、掃描儀法、電容電橋法,直讀式線性
10、電容儀(自動記錄)法、電疇觀察法、熱膨脹系數(shù)突變測量法,等等。本書僅介紹第一種方法。此種方法的原理是:當鐵電壓電材料的溫度高于居里溫度時,它的自發(fā)極化消失,電滯回線也就消失,測出剛剛消失時的這個溫度便為居里溫度。測量方法如下:(1)使用圖3的線路,將試樣放在帶有自動控溫的烘箱或電爐內(nèi)(材料的居里溫度不高時用烘箱,居里溫度高時用電爐),在居里點附近逐漸升溫,根據(jù)樣品尺寸大小,在每個溫度點保持3 5分鐘,以保證試樣體內(nèi)外溫度均勻,逐點試驗直至示波器上電滯回線消失為止記下此時的溫度。(2)將加熱器溫度升高,使高于居里溫度,然后逐漸降溫,每個溫度點保持5 10分鐘,直至示波器上又出現(xiàn)電滯回線,記下此時
11、溫度。(3)按下式算出試樣居里溫度 (). )二、實驗裝置實驗所需儀器設(shè)備及材料包括鐵電體電滯回線實驗儀、計算機、示波器、電爐、BaTiO3樣品、打印機等。三、實驗內(nèi)容1. 電滯回線的測量。(1)裝上樣品(BaTiO3,<120),在室溫下調(diào)出恰當?shù)碾姕鼐€。(2)用計算機描繪電滯回線(X軸用電場強度V/mm定標,Y軸用極化強度定標),并從回線上求出樣品的自發(fā)極化強度,剩余極化強度及矯頑場。(3)測量樣品的厚度、面積,輸入軟件中,自動計算出樣品的自發(fā)極化強度,剩余極化強度及矯頑場。標準電容為 11。*2. 實驗設(shè)計訓(xùn)練。設(shè)計一個實驗,用Sewer-Tower電路示波器觀察電滯回線突變法測居里溫度。四、思考與討論1. 什么是鐵電體?鐵電體的主要持征是什么?如何判斷一種晶體是否是鐵電體?2. 什么是鐵電疇?什么是單疇?什么是多疇?3. 本實驗中居里溫
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