Температура Кюри

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости e от температуры t представляется нелинейной функцией с максимумом при определенной температуре Т _к, называемой температурой (точкой) Кюри (рис. 3.5). Повышение температуры до точки Кюри (материал находится в сегнетоэлектрическом состоянии) приводит к нелинейному увеличению поляризованности P, а значит и диэлектрической проницаемости e, за счет ослабления связей и большей упорядоченности полярных групп. Свыше температуры Кюри Т _к спонтанная поляризация постепенно исчезает за счет теплового движения структур и разрушения доменов (параэлектрическое состояние).

Параметры сегнетоэлектриков изменяются в широких пределах; точка Кюри лежит в диапазоне Т _к = –263 ^oС …+1213 ^oС. Точка Кюри для титаната бария имеет значение Т _к ≈ 120 ^oС; подбором состава смеси (например, смешав титанаты бария и стронция) возможно изменять значение точки Кюри, ″смещая″ ее, например, в область более низких температур (рис. 3.5, а, кривые 1, 2).

Зависимость диэлектрической проницаемости e(Т) сегнетоэлектриков от температуры в области Т > T _к описывается формулой Кюри-Вейса:

e(Т) = А /(T – Т ₀), (3.5)

или

1/e(Т) = – Т ₀/ А + T / А, (3.6)

где А – константа, Т ₀– параметр материала, К; T = (t +273) K – абсолютная температура.

Рис. 3.5. Зависимости e(t) (а), ТКe(t) (б), 1/e(t) для проверки закона Кюри-Вейса (в)

Построив по результатам измерения емкости С и расчета диэлектрической проницаемости e материала образца при различных температурах график зависимости e(t), можно определить температуру Кюри Т _к (рис. 3.5, а). В области температур t > T _к (параэлектрическое состояние) график зависимости e^-1(t) в соответствии с законом Кюри-Вейса представляет собой прямую линию (рис. 3.5, в).

Величина А _эксп определяется как угловой коэффициент:

А _эксп = (t ₂ – t ₁)/(1/e₂ – 1/e₁). (3.7)

Величина Т _0эксп может быть рассчитана по результатам эксперимента, например:

T _0эксп = T _К – А _эксп/e_К, (3.8)

где e_К - значение относительной диэлектрической проницаемости при
t = Т _К (рис. 3.5, в).

По значениям А _эксп и Т _0эксп можно сделать вывод о типе диэлектрика и конкретном механизме поляризации. Среди сегнетоэлектрических кристаллов различают две группы. Эти группы различаются значением константы А в законе Кюри-Вейса и соотношением между Т _к и Т ₀. Для первой группы характерны значения константы А в диапазоне (1…5)×10³ К и Т _к» Т ₀ (например, сегнетова соль). Для второй группы константа А лежит в диапазоне
(1…3)×10⁵ К, а Т ₀ примерно на 10 ^oС ниже, чем Т _к (например, титанат бария).

На основе сегнетоэлектриков создаются термоконденсаторы – конденсаторы, емкость С (e) которых изменяется от температуры.

Термоконденсаторы характеризуются величиной ТКe(t), которая экспериментально может быть рассчитана по соотношению

ТКe(t)|_t = (1/e*)De/D t, (3.4)

где e* - значение относительной диэлектрической проницаемости при температуре t, De - изменение e при изменении D t.

Примерные зависимости ТКe(t) приведены на рис. 3.5, б.

Зависимость e(E)

Анализ процессов поляризации показывает, что электрическая индукция D изменяется по нелинейной зависимости (рис. 3.4, а), достигая индукции насыщения D _нас. Поскольку

D (Е) = e(Е)e₀ E, (3.9)

то с учетом

e(Е) = D (Е)/e₀ E,(3.10)

зависимость e(Е) описывается нелинейной зависимостью по кривой с максимумом (рис. 3.4, б).

Так как емкость С конденсатора с диэлектриком равна

С (Е) = e(Е)e₀ S / h, (3.11)

(S, h – площадь электродов, толщина диэлектрика), то емкость конденсатора с активным диэлектриком изменяется по кривой, идентичной зависимости e(Е) от напряженности (напряжения) (рис. 3.4, б).

На основе сегнетокерамики с резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля изготавливаются нелинейные конденсаторы, называемые варикондами. Характерная зависимость емкости варикондов от напряжения показана на рис. 3.4, б.

Нелинейность вариконда проявляется в изменении емкости при воздействии на него переменных и постоянных электрических напряжений. Различают два вида нелинейности емкости варикондов.

Нелинейность С (U _») по переменному току, проявляемая при воздействии переменного (синусоидального или другого) напряжения, а также одного постоянного: при увеличении напряжения (напряженности электрического поля) емкость возрастает, достигает максимума, затем снижается. Подобные изменения емкости объясняются нелинейными зависимостями поляризованности Р (Е) и диэлектрической проницаемости e(Е) от напряженности электрического поля.

Реверсивная нелинейность С (U ₌), проявляемая при одновременном воздействии двух напряжений: переменного и постоянного (или более низкочастотного, чем первое, переменного напряжения), называемого смещающим напряжением. При увеличении смещающего напряжения емкость С варикондов изменяется и достигает насыщения.

Параметром нелинейности является коэффициент

к _» = С ( U )/ С _нач = e ( U )/ e_нач, (3.12)

показывающий, во сколько раз возрастает емкость С при увеличении амплитуды переменного напряжения от начального значения к рабочему.

Для изготовления варикондов используются девять основных видов нелинейной сегнетокерамики: ВК-1 – ВК-9. Все они изготавливаются по керамической технологии, однако, имеют различные характеристики. Для всех материалов поляризованность при увеличении напряженности поля возрастает и достигает участка насыщения.

Первые шесть (ВК-1 – ВК-6) в нормальных условиях являются сегнетоэлектриками, и их нелинейные свойства оцениваются по характеру зависимостей Р (Е ) и e ( E ).

Материалы ВК-7, ВК-8, ВК-9 в области рабочих температур находятся в параэлектрическом состоянии. Эти материалы применяются для СВЧ-варикондов. Главной их особенностью являются: низкие значения tgd (меньшие, чем у обычных сегнетоэлектриков) и зависимость емкости от постоянного смещающего поля при одновременном воздействии СВЧ-сигнала. Подобные материалы обладают высокими значениями диэлектрической проницаемости с малой номинальной емкостью. Относительная диэлектрическая проницаемость остается постоянной при частотах до 40 ГГц.

Чувствительность к излучениям

Сегнетоэлектрики в целом обладают специфическими свойствами, используемыми в технике.

Одной из особенностей некоторых сегнетоэлектриков оказалась их восприимчивость к ультрафиолетовому, видимому и ИК-излучению. Подобные материалы относятся к пироэлектрикам, для которых характерен пироэлектрический эффект – возникновение поляризованности Р при их нагревании, например, за счет поглощения излучения. При этом на разных поверхностях пироэлектрика возникают электрические заряды противоположного знака.

Именно поэтому подкласс сегнетоэлектриков – пироэлектрики, используется в качестве датчиков для создания оптических приборов – пирометров для дистанционного измерения температуры объектов.

Дата добавления: 2015-07-17