Сти электрического поля Е

ти сильных полей. Весь процесс изменения Р и е от Е можно раз­бить на три участка.

Участок I — область слабых электрических полей. На этом участ­ке поляризация осуществляется за счет обратимого смещения стенок доменов. Одни домены растут за счет других, в результате число их уменьшается. Зависимость Р от Е линейная, е от Е практически не зависит, т.е сегнетоэлектрик ведет себя аналогично обычному ди­электрику.

(7.1)

Участок II — поляризация образца осуществляется путем необра­тимого смещения стенок доменов. На этом участке после снятия внешнего электрического поля доменная структура не возвращается в первоначальное состояние и образец сохраняет остаточную поля- ризованность Р₀ (рис. 7.4). Значения Р и е на этом участке макси­мально зависят от Е. Небольшие изменения напряженности элек­трического поля приводят к резкому изменению поляризованное™ и диэлектрической проницаемости. Этот участок характеризуется ко­эффициентом эффективной нелинейности Кэ_ф:

Кэф е_м/е,

С увеличением частоты Кэ_ф уменьшается. Наибольшее значение он имеет при низких частотах. При высоких частотах, когда полупе­риод приложенного напряжения становится меньше времени пере- поляризации доменов, К^ существенно уменьшается. Коэффициент К^ф является важной характеристикой сегнетоэлектриков, используе­мых в варикондах, диэлектрических усилителях, стабилизаторах пе­ременного напряжения и т.п. Например, вариконды работают на участке II е(Е), когда К^ максимален. В зависимости от природы материала Кэ_ф изменяется от 1 до 50 (табл. 7.5).

Таблица 7.5 Свойства сегнетокерамики для варикондов

Материалы	ТКХ		«эф	^Еыя«Л ^кВ/^М	tg5
BK-1	75±10		6-8	150-200	0,02
BK-2	75±10		15-20	120-150	0,01
вк-з	25±10	10 000	1-2	50-100	0,03
BK-4	105±10		10-16	250-300	0,015
BK-5	75±10		35-50	80-100	0,01
BK-6			20-50	500-600	0,03
BK-7	-10		—	—	0,001

* Амплитудное значение напряженности электрического поля.

На участке III (область сильных электрических полей), в самом его начале при Е= Е_н, поляризация образца практически заканчива­ется полностью. Монокристалл становится однодоменным, а его по- ляризованность достигает технического насыщения Р_н, при этом е проходит через максимум. Далее диэлектрическая проницаемость снижается, так как увеличивается Е:

е = 1 +Р/(ео£). (7.2)

При циклическом изменении напряженности электрического поля зависимость Р от Е примет вид петли гистерезиса (см. рис. 7.4), аналогичной для ферромагнетиков.

При Е= Е_н гистерезисная петля становится предельной петлей ди- элеткрического гистерезиса. С дальнейшим ростом напряженности Е поля Р образца слегка возрастает (см. рис. 7.4, отрезок ВС) за счет обычных видов поляризации (электронной, ионной, дипольной), а е продолжает снижаться (см. рис. 7.3), приближаясь к значению е„ в об­ласти сильных электрических полей. Если начать уменьшать напря­женность электрического поля Е, то поляризованность Р образца ста­нет уменьшаться по кривой BP_Q и при Е = 0 поляризованность Р не будет равной нулю, образец сохранит остаточную поляризованность P_Q. Чтобы P_Q стала равной нулю, необходимо приложить электрическое поле определенной величины с противоположным направлением век­тора. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Е_с. Остаточная поляризованность P_Q всегда меньше спонтанной поляри­зованное™ Р_с, так как после снятия напряжения образец сегнетоэлек- трика частично деполяризуется. Отношение P_Q к Р_н является коэффи­циентом прямоугольное™ петли гистерезиза К^:

К_ПШ= Р₀/Р_н. (7.3)

Коэффициент К_ПШ является важной характеристикой сегнето­электриков с ППГ, которые можно использовать в запоминающих
устройствах (ЗУ) ЭВМ (твердотельного интегрального исполнения). Значение К_ппт у этих сегнетоэлектриков должно быть больше 0,9.

Из предельной петли диэлектрического гистерезиса можно опре­делить остаточную поляризованность P_Q (при Е = 0), коэрцитивную силу Е_с и другие характеристики. Величины Р_н и Е_н, указывающими начало участка (отрезок ВС) безгистерезисной части зависимости е(7). Экстраполяция отрезка ВС до пересечения с осью Р дает вели­чину, приближенно равную спонтанной поляризации Р_с. По значе­нию коэрцитивной силы Е_с сегнетоэлектрические материалы подраз­деляют на сегнетомягкие (Е_с <0,1 МВ/м) и сегнетотвердые (Е_с > 1 МВ/м).

Площадь петли гистерезиса характеризует величину энергии электрического поля, затрачиваемую на переориентацию доменов, и численно равна диэлектрическим потерям данного образца сег- нетоэлектрика за один период изменения электрического напря­жения.

Спонтанная поляризация наблюдается в диапазоне частот от по­стоянного напряжения до СВЧ. Диэлектрическая проницаемость титаната бария, начиная с частоты примерно 10⁷ Гц, снижается, а диэлектрические потери возрастают (рис. 7.5). В слабых электри­ческих полях при комнатной температуре величина е ВаТЮ₃ лежит (в зависимости от марки материала) в пределах 500—20 000, tg8 — 0,02-0,03.

На рис. 7.6 показана температурная зависимость диэлектрической про­ницаемости титаната бария, из которой видно, что спонтанная поляризация данного материала проявляется только при температурах ниже 120°С (точка Кюри). Две аномалии на кривой, лежащие ниже точки Кюри, имеют место вследствие частичного смещения иона титана внутри элементарной ячейки и вызванного этим дополнительного изменения структуры. В зависимости

10⁶ 10⁸ /, Гц

-200 -100 0 100 Т, °С

Рис. 7.5. Зависимость е и tg5 титаната бария от частоты / в слабых полях

0,™

Рис. 7.6. Зависимость диэлектриче­ской проницаемости е титаната бария от температуры Т при амплитудных напряженностях: Е_макс - 5,6 кВ/м (/) и Знаке = ПО ^кВ/^м (2)

Макс

от температуры BaTi0₃ имеет следующие типы структур: кубическую — свы­ше + 120°С, тетрагональную — при +120°С и ниже, ромбическую — при 0°С и ниже, ромбоэдрическую — ниже ~ -80°С. В данном случае, кроме основ­ного фазового перехода (перехода их параэлектрического состояния в сегне- тоэлектрическое) наблюдается еще два фазовых перехода.

Путем изменения состава сегнетоэлектрика можно изменять зна­чения диэлектрической проницаемости и точки Кюри в широких пре­делах. Например, при изменении соотношения компонентов твердого раствора BaTi0₃ и SrTi0₃ е при Т_к изменяется от 2000 до 12 ООО, а точка Кюри - от 120°С (ВаТЮ₃ - 100 %) до 250°С (SrTi0₃ - 100 %).

Сегнетоэлектрики используют для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов — варикондов, емкость которых можно изменять путем изменения электрического напряжения и других активных элементов электрических схем. Для изготовления этих элементов используют сегнетокерамику — керамику, получен­ную на основе сегнетоэлектриков.

Сегнетокерамика, применяемая для изготовления малогабаритных конденсаторов, должна иметь максимально высокое значение диэлек­трической проницаемости с малой ее зависимостью от температуры, низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность и наименьшую зависимость е и tg5 от напряженности электрического поля (малую нелинейность). Последнее хорошо выполняется при ра­боте конденсаторов в слабых электрических полях (см. рис. 7.3, уча­сток 7). Среди используемой конденсаторной сегнетокерамики можно выделить ряд материалов (рис. 7.7). Например, материал СМ-1, изго­товленный на основе титаната бария с добавкой оксидов циркония и висмута, имеет сглаженную зависимость е от температуры и предна­значен для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения. Его характеристики: е = 3000—4000 (при 20°С), tg5 < 0,03 (при 1 кГц и 20°С), р = 10⁹—10^ю Омм при 100 °С, Е > 4 МВ/м при постоянном напряжении, Т_к = 35 ± 10°С. Материал Т-/500 имеет кри­сталлическую фазу, представляющую собой твердый раствор SrTi0₃ и СаТЮ₃ в ВаТЮ₃. Его максимальная диэлектрическая проницаемость проявляется при температуре около 20°С; предназначен для изготовле­ния низковольтных и высоковольтных конденсаторов, работающих при комнатной температуре (в узком интервале температур); его ха­рактеристики: е = 6000— 7500 (при 20°С), tg5 < 0,03 (при 1 кГц и 20°С), р = 10⁹—10¹¹ Ом м (при 100°С), Е_пр > 2,5 МВ/м (при постоянном на­пряжении), Т_к = 35 ± 10°С. Сегнетокерамика Т-900 относится к мате­риалам с относительно низкими диэлектрическими потерями и точ­кой Кюри (при 50 Гц tg5 < 0,005 и Т_к= -140°С) и повышенной электрической прочностью; это твердый раствор SrTi0₃-Bi₂0₃—Ti0₂; при комнатной температуре е ~ 900 и возрастает с понижением темпе­ратуры. Известны и другие сегнетокерамические материалы для кон­денсаторов, кристаллической фазой которых являются твердые рас­творы в системах, например BaTi0₃-BaSr0₃ и др. Эти материалы имеют большие значения е и более сглаженную зависимость ее от тем­пературы.

4000 2000 Рис. 7.7. Зависимость е конденсатор­ных сегнетокерамических материалов от температуры Т:1- Т-7500; 2- СМ-1; 3 -Т-900

0,6 0,8 МВ/м

Рис. 7.8. Зависимость е от напряженности электрического поля Е материалов для варикондов (для сравнения приводит­ся зависимость е от Е для BaTi0₃)

Сегнетокерамика для изготовления варикондов должна обладать резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Вариконды (от слов «вариация» и «конденсатор») являются нелинейными конденсаторами и по своему функциональному действию аналогичны варикапам (см. гл. 8.6); их емкость от напряженности поля изменяется вследствие изменения е (см. рис. 7.3). Одной из основных характеристик варикондов является коэффициент эффективной нелинейности Кэф (см. формулу (7.1)). В табл. 7.5 и на рис. 7.8 приведены свойства сегнетокерамики, предна­значенной для варикондов, и зависимость е от Е переменного поля. Материалы ВК-1, ВК-2 и ВК-4 получают на основе твердых растворов Ba(Ti, Sn)0₃; ВК-5 — на основе BaTi0₃; ВК-6 — на основе Pb(Ti, Zr, Sn)0₃; ВК-7 — на основе BaTi0₃-SrTi0₃. ВК-7 работает в параэлектри- ческой области и предназначен для ВЧ- и СВЧ-варикондов. Из рис. 7.8 видно, что особенно высокие значения максимальной диэлек­трической проницаемости имеют материалы ВК-5 (е ~ 100 000) и ВК-2 (е ~ 50 000) в интервале температуры от +50 до -50°С.

В производстве варикондов наиболее широкое применение полу­чили материалы ВК-1, ВК-2 и ВК-4 (табл. 7.6). В серийном произ­водстве вариконды изготавливают либо в виде одиночных дисков, либо это диски, собранные в цилиндр, с номинальными значениями емкости от 10 пФ до 0,22 мкФ. Высокие нелинейные свойства позво­ляют использовать вариконды в самых различных схемах: для стаби­лизации напряжения, умножения частоты, преобразования синусои­дального напряжения в импульсное, для гашения экстратока и т. п.

Сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом и при­меняются для изготовления пьезоэлектрических преобразователей (см. гл. 7.15.2), ряд из них обладают электрооптическими свойствами и ис­пользуются для модуляции лазерного излучения электрическим по­
лем, приложенным к кристаллу, а также другими свойствами. Некото­рые сегнетоэлектрики, так называемые сегнетоэластики, обладают при определенной температуре спонтанной деформацией, знак которой может быть изменен при внешних воздействиях.

Таблица 7.6 Некоторые характеристики варикондов из материалов BK-1, BK-2 и BK-4

Тип вари- конда	Номинальная ем­кость (U=5 В,/= 50 Гц), пФ	Тип вари- конда	Номинальная ем­кость (U = 5В,/= 50 Гц), пФ	Тип вари- конда	Номинальная ем­кость (U= 5 В, f= 50 Гц), пФ
BK1-0		BK2-1		BK4-M	10 и 22
BK1-1	510 и 1500	BK2-2		BK4-0
BK1-2	2700 и 5100	BK2-3		BK4-1
BK1-3	6800 и 12 000	BK2-4	10 000	ВК4-2
ВК1-Б	0,15 и 0,2 мкФ	ВК2-ЗШ		BK4-3
BK2-5M	10 и 22	BK2-5	0,15 мкФ	BK4-4
BK2-0		ВК2-БШ	0,15 и 0,22 мкФ	ВК4-Б	100 000

Примечание. Коэффициент нелинейности (К_ = по напряжению пере­менного тока для варикондов из материала BK-1 равен 4—6, для варикондов типа ВК2-Б, ВК2-БШ и ВК4-Б равен 7 и более, для остальных варикондов более 8. Интер­вал рабочей температуры для варикондов из материала BK4 от -40 до +85°С, для ос­тальных от -40 до +60°С.

Дата добавления: 2015-08-09