Материалы и компоненты электронных средств [РТФ, Самохвалов, 4 семестр] / Материалы электронных средств

3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ В данной работе следует определить диэлектрическую проницае-

мость ( ) и тангенс угла диэлектрических потерь (tg ).

Потери энергии в сегнетоэлектрике определяются с помощью осциллографа, на экране которого получают изображение петли гистерезиса в координатах q = f(U), пропорциональное петле в координатах Р = f(Е). Чтобы получить данную зависимость, на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа нужно подать напряжение, пропорциональное заряду на обкладках исследуемой емкости Сх, диэлектриком которой служит сегнетоэлектрик, а на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ – напряжение, пропорциональное падению напряжения на Сх (рис.1). Последовательно с исследуемой емкостью включают эталонную, известную емкость С0. Через обе эти емкости протекает одинаковый ток I, следовательно, заряд на обкладках конденсатора будет одинаковым:

т. е. напряжение на эталонном конденсаторе, поданное на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, пропорционально заряду исследуемой емкости Сх.

R Cx C0

Ur

Рис. 1. Схема измерительной установки

21

Покажем, что напряжение Ur, которое подается на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа, пропорционально Ux.

Обозначим через U1 напряжение, подаваемое на конденсаторы, т. е. напряжение, снимаемое с сопротивления R. Тогда ток в цепи запишется в виде

Выразим U1 через напряжение Ur, подаваемое на горизонтальные пластины

где R' – часть сопротивления R, с которого снимаем падение напряжения

Ur.

Подставляя (2') в (2), получаем:

Теперь подставляем (3) и (1’) и получим

При Сх << С0

Ux Ur RR , Ur Ux RR .

Итак, на горизонтально отклоняющие пластины подается напряжение, пропорциональное Ur. В результате на экране ЭЛТ получили изобра-

22

жение петли гистерезиса, площадь которой с учетом масштабов по осям будет пропорциональна потерям энергии внешнего поля.

Масштаб по оси Х находят по формуле mx= Ur/x,

где Ur – замеряют вольтметром. В; х – отклонение луча по оси X, см. Масштаб по осиY вычисляют по формуле my= q/y,

где q = C0 U0. U0 – напряжение на эталонной емкости, В (замеряют ламповым вольтметром); С0 – емкость эталонного конденсатора, Ф; у – отклонение луча по осиY в см.

Потери мощности за один цикл вычисляются по формуле

P S mx my f ,

где S – площадь петли гистерезиса, см2; f – частота напряжении, Гц. Тангенс угла диэлектрических потерь определяют по формуле

tg S mx my . 2 Ur q

Значение вычисляют по формуле Cx dS ,

где S – площадь пластин конденсатора; d – расстояние между пластинами,0 ; 0 8,85 10 12 Ф/м; Cх определяют по формуле (1), замерив q и

Ux.

Изменением напряжения Ux в заданном интервале с помощью автотрансформатора снимают циклы поляризации q = f(Е) на кальку. Зная Uх, U0 и С0, диэлектрическую проницаемость вычисляют по формуле

Cx , Cx

где Cx d0

Напряженность электрического поля в диэлектрике Е определяют как отношение E = Ux/d.

23

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Изучив описание работы, собрать схему (рис. 1).

2.После проверки схемы включить ее и выставить значения эталонной емкости С0 и Ur, заданные преподавателем.

3.Снять полученную петлю гистерезиса на кальку, вычислить ее площадь, масштабы по осям, подавая напряжение поочередно на выходы Х

иY.

4.Вычислить значения tg и , используя соответствующие формулы.

5.Снять зависимости tg = f(E) и = f(Е) в указанном преподавателем диапазоне напряжений.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Основные свойства сегнетоэлектриков.

2.Природа сегнетоэлектриков, ионный и дипольный типы сегнетоэлектричества.

3.Зависимость свойств сегнетоэлектриков от внешних воздействий.

4.Свойства параэлектриков.

5.Методы исследования свойств сегнетоэлектриков.

6.Применение ceгнетоэлектрических материалов.

24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

«ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКОВ»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение основных свойств пьезоэлектриков и определение пара-

метров пьеозоэктрических материалов.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Прямой пьезоэлектрический эффект — это явление, когда под дей-

ствием механического напряжения (или деформации) происходит электрическая поляризация диэлектрика и образование на его поверхности электрических зарядов. Диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом называют пьезоэлектриками.

Пьезоэлектрики представляют собой кристаллы, в которых отсутствует центр симметрии и под действием механических напряжений возникает электрический момент. К таким материалам относятся кварц, сегнетова соль, турмалин и др.

Зависимость поляризации Р от механического напряжения имеет вид Pi dij j , где dij – пьезомодуль. Все величины являются тензорными.

Пьезомодуль численно равен заряду, возникающему на единице поверхности образца при приложении к нему единицы давления [(Кл/м2)/(Н/м2) = Кл/Н]. Его величина у используемых на практике пьезоэлектриков равна

10-10–10-12 Кл/Н.

При обратном пьезоэффекте происходит механическая деформация кристалла под действием приложенного электрического поля.

Основными параметрами, характеризующими свойства пьезоэлектриков, являются компоненты пьезомодулей, модуль Юнга, температура Кюри, скорость звука, коэффициент электромеханической связи и др.

25

Пьезоэлектрики находят применение в генераторах и фильтрах электромагнитных колебаний, пьезорезонаторах, линиях задержки, датчиках и других приборах.

Пьезоэлектрическим резонатором называют резонансный элемент электронной схемы – прибор, в котором используются пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса. Для изучения свойств пьезоэлектрических материалов удобнее всего использовать резонаторы, представляющие тобой пластинки пьезозлектриков с электродами, нанесенными на две противоположные грани. Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний. При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла. Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при отличии частоты и происходит резкое увеличение добротности резонатора. Этот эффект в пьезорезонаторах изучается в данной работе.

3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Определение основных параметров пьезоэлектрика производится пу-

тем измерения резонансной fp и антирезонансной fа частот.

Внешнее переменное напряжение подают в точку А. Входное и выходное напряжение измеряются в точках В и С, соответственно. Контролируется также разность фаз напряжений в этих точках. Измерения прово-

26

дятся тоже с помощью осциллографа (разность фаз оценивается по фигурам Лиссажу) или с помощью милливольтметра и фазометра. Входное напряжение около 200 мВ, выходное – 10-50 мВ.

R1 ПР

R2 R3

Рис.1. Схема установки для исследования свойств пьезоэлектриков (ПР - пьезоэлектрический резонатор)

Резонансная частота fp соответствует максимальному выходному напряжению при минимальной разности фаз. Антирезонансная частота соответствует минимальному выходному напряжению и минимальной разности фаз.

Значение механической добротности Qм определяют по формуле

f 2

Qм 2 R Cпр fa p fa2 f p2 ,

где R = Rз(Uвx / Uвых – 1), Cпр = 0 S / h; = 4,6 ; S и h – относительная ди-

электрическая проницаемость, площадь и толщина пьезоэлектрика, соответственно.

Значение пьезомодуля d определяют по формуле

где = 2650 кг/м3 – плотность пьезоэлектрика.

Скорость звука vзв в кристалле определяют по формуле vзв = 2 h fр.

27

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Измерить величину резонансной и антирезонансной частоты пьезоэлектрического резонатора. Измерения проводятся 4-5 раз. Определить средние значения частот.

2.Повторить измерения п. 1 для значения входного напряжения, отличающегося на ± 10%.

3.Вычислить значения механической добротности, пьезомодуля и скорости звука в кристалле.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Сущность пьезоэлектрического эффекта. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.

2.Основные характеристики и параметры пьезоэлектриков.

3.Виды пьезоэлектрических материалов.

4.Пьезоэлектрические резонаторы. Основные параметры и их связь с характеристиками пьезоэлектрических материалов.

5.Применение пьезоэлектриков.

28

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

«ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение зависимости яркости свечения порошковых электролюми-

несцентных материалов от величины и частоты питающего переменного напряжения.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Люминесценция – излучение, представляющее избыток над тепло-

вым излучением тела и обладающее длительностью примерно 10-10 с и больше. Процесс люминесценции может быть вызван бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, облучением вещества видимым и ультрафиолетовым светом, рентгеновскими и -лучами, а также химической реакцией, например, реакцией окисления. Люминесценция отличается от других видов свечения некоторыми особенностями:

1.Яркость свечения люминесценции больше яркости свечения абсолютно черного тела при той температуре, при которой это тело находится.

2.Люминесценция имеет конечное время затухания.

3.Излучение фотолюминесценции имеет другую длину волны, чем возбуждающий ее свет.

4.Полное количество световой энергии, излучаемой люминесцирующими телами за интервал времени от момента прекращения возбуждения до конца свечения, остается без изменения при нагревании тела. Если в результате нагревания время затухания уменьшается, то яркость свечения возрастает с повышением температуры.

5.Квантовый выход фотолюминесценции может достигать единицы, когда каждому поглощенному фотону соответствует излученный фотон.

29

Люминофорами называются вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений. (Термин от латинского слова «люмен» – свет и греческого «форос» – несущий. Вместо этого термина применяются также другие: светосоставы, фосфоры, кристаллофосфоры).

По способу возбуждения люминофоры подразделяются на следующие классы:

1.Фотолюминофоры (возбуждение световыми лучами).

2.Катодолюминофоры (возбуждение электронами).

3.Электролюминофоры (возбуждение электрическим полем).

4.Рентгенолюминофоры (возбуждение рентгеновскими лучами).

5.Радиолюминофоры (возбуждение корпускулярным излучением естественных или искусственных радиоактивных препаратов).

Вданной работе изучается явление электролюминесценции. Электролюминесценция — люминесценция, возбуждаемая эпод воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля. Различают два вида электролюминесценции (ЭЛ): инжекционную, возникающую, в частности на р-n переходе, включенном в прямом направлении (светодиоды), и предпробойную, возникающую в сильных полях, близких к тем, при которых образуется электрический пробой. Предпробойная ЭЛ наблюдается, в частности, в порошкообразных цинксульфидных (ZnS) электролюминофорах, помещенных в диэлектрик и расположенных между обкладками конденсатора в сильном переменном электрическом поле.

На рис.1 показана схема устройства электролюминесцентного конденсатора (ЭЛК). Пространство между электродами электролюминесцентной ячейки заполняется электролюминофором, смешанным с диэлектриком. Один из электродов должен быть прозрачным, второй электрод делается непрозрачным.

30