Управление образования и науки Липецкой области

Государственное областное автономное

профессиональное образовательное учреждение

«Липецкий металлургический колледж»

(код и наименование специальности) 13.02.11				УТВЕРЖДАЮ Председатель цикловой комиссии МОЕН дисциплин
Техническая эксплуатация и				Красникова Л.Н.
обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)				(подпись) (Ф. И. О.)
			(дата)
Активные диэлектрики
и применение их в электронике

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

по дисциплине/дисциплинам	ОУД.11 Физика

Р (подпись) уководитель индивидуального проекта		К (Ф. И. О.) расникова Л.Н
(дата)
С (подпись) тудент		Г (Ф. И. О.) ладких Н.А.
(дата)

2020г.

Содержание

1. 
   Введение...............................................................................................................3
   
2. 
   Основная часть....................................................................................................4
   
   1. 
      Общие сведения об активных диэлектриках...............................................4
      
   2. 
      Сегнетоэлектрики...........................................................................................4
      

Конденсаторная сегнетокерамика................................................................6

Вариконды......................................................................................................7

Лазеры.............................................................................................................8

Сегнетополупроводники...............................................................................8

3. 
   Пъезоэлектрики..............................................................................................9
   

Применение пъезоэлектрики.............................................................................11

Пьезокерамические генераторы.................................................................12

Пьезокерамические датчики.......................................................................12

Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы)......................................13

Пьезокерамические преобразователи........................................................14

Пьезотрансформаторы.................................................................................14

4. 
   Пироэлектрики.............................................................................................15
   

Применение пироэлектриков......................................................................15

5. 
   Электреты.....................................................................................................16
   

Термоэлектреты............................................................................................17

Фотоэлектреты.............................................................................................17

Радиоэлектреты............................................................................................17

Электроэлектреты........................................................................................18

3. 
   Заключение........................................................................................................19
   
4. 
   Список использованных источников..............................................................20
   

1.Введение

Тема моего проекта “ Активные диэлектрики и применение их в электронике” была выбрана мною не случайно. В современном мире практически каждый человек сталкивается с предметами, которые без активных диэлектриков могли и не существовать. Многие могли даже не знать об их существовании. Но так ли важна их роль в жизни людей или мы могли бы спокойно обойтись без активных диэлектриков? С этим вопросом я хотел бы разобраться в моем проекте.

Цель проекта: Выяснить, что представляют собой активные диэлектрики. Так же узнать где они используются в электронике и насколько важна их роль в нашей жизни.


2.Основная часть

2.1.Общие сведения об активных диэлектриках

Основное свойство обычных (пассивных) диэлектриков, которое используется в электрорадиотехнике – способность поляризоваться под действием внешнего электрического поля.

Активные диэлектрики отличаются от обычных тем, что они не только играют «пассивную» роль, создавая электрическую изоляцию, в разных радиотехнических приборах используется смена параметров этих материалов под действием разных факторов. Так поляризация может возникать в результате деформации, намагничивания, изменения температуры. Возможны также и обратные явления – деформация в результате поляризации и др.

Такие свойства активных диэлектриков позволяют создавать много важных устройств датчиков температуры, давления, магнитного поля, линий задержки, усилителей и др.

К активным диэлектрикам можно отнести сегнетоэлектрики, пъезоэлектрики, электреты, диэлектрики для приборов квантовой электроники, электрооптические материалы.

2.2. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики - материалы, которые в определенном температурном интервале без влияния внешнего магнитного поля имеют спонтанную поляризацию, направление которой можно изменить внешним электрическим полем.

Объем сегнетоэлектрика, как правило, делится на домены – макроскопические области с разным направлением векторов спонтанной поляризованности. В результате этого при отсутствии внешнего электрического поля суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. Под воздействием внешнего электрического поля вектор спонтанной поляризованности ориентируется, в основном, в напралении поля, которое вызывает эффект очень сильной поляризации, следствием которой есть сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости . Зависимость поляризованности от напряженности внешнего электрического поля у сегнетоэлектрика нелинейная и при циклическом изменении имеет вид характерной замкнутой кривой, которая называется петлей гистерезиса.

Если уменьшать поле от +Em до нуля, образец остается поляризованным. После изменения направления поля, поляризованность уменьшается, и при -Ec (коэрцитивная сила сегнетоэлектрика)P=0, но дальше изменяется направление P на противоположное. Площадь петли пропорциональна энергии, потраченной полем во время последнего цикла поляризации – диэлектрическим потерям.

Другим характерным параметром сегнетоэлектриков есть сегнетоэлектрическая точка Кюри – температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация. Диэлектрическая проницаемость вещества при температуре точки Кюри Tк максимальна. После достижения точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрический, когда диэлектрическая проницаемость резко уменьшается. Переход в полярное состояние может быть следствием упорядоченного смещения ионов из положения равновесия или упорядочиванием электрических диполей, которые существуют и в неполярной фазе.

Дипольными сегнетоэлектриками являются сегнетовая соль, нитрид натрия, дигидрофосфат калия. В общем, на сегодня известны несколько сотен сегнетоэлектрических материалов. Сегнетоэлектрические свойства могут объединяться с полупроводниками.

Сегнетоэлектрики широко используются как материалы с большим значением ε (конденсаторы, в том числе нелинейные – вариконды), как электрооптические и терморезистивные материалы, как материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, для запоминающих устройств.

Конденсаторная сегнетокерамика

Применение в обычных конденсаторах (или конденсаторная сегнетокерамика). Как уже неоднократно отмечалось, сегнетоэлектрики обладают очень большой диэлектрической проницаемостью в определенном интервале температур. Максимальная диэлектрическая проницаемость, небольшая зависимость ее от температуры, несущественные диэлектрические потери, минимальная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля, высокие значения удельного сопротивления, невысокий тангенс угла диэлектрических потерь -- это те свойства, которые необходимы для производства конденсаторов. Чаще всего для изготовления сегнетоэлектрических конденсаторов используют твердые растворы. Значение ε при этом регулируется с помощью изменения концентрации раствора. Также можно изменять нелинейность поляризации и корректировать точку Кюри. Для того, чтобы уменьшить зависимость характеристик конденсаторов от температуры в состав сегнетоэлектрика включают различные дополнительные компоненты, которые «размывают» фазовый переход у диэлектрика. Примером сегнетокерамического материала, который широко применяется на практике, служит вещество с названием Т-900.T-900 - это твердый раствор титаната стронция и висмута. Он имеет несущественную зависимость ε(T). Точка Кюри Tk=−140∘C. Соответственно, рабочий диапазон правее точки Кюри. Для изготовления небольших конденсаторов чаще используют другой материал (CМ-1), который имеет сглаженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. Он состоит из титаната бария с оксидом циркония и висмутом. Еще один сегнетокерамический материал T-8000 состоит из твердого раствора титаната бария и цирконата бария. Температура Кюри этого раствора лежит в интервале комнатных температур. Этот материал используется для конденсаторов, которые применяются в узком интервале комнатной температуры.

Вариконды

Сегнетоэлектрики применяются для изготовления переменных конденсаторов (варикондов). Такие конденсаторы отличаются существенно нелинейными свойствами. К характеристикам таких конденсаторов необходимо отнести повышенную диэлектрическую проницаемость и резкую зависимость . Важнейшая характеристика переменного конденсатора - это коэффициент нелинейности ( ). Коэффициент у разных материалов может меняться от 4 до 50. Основой таких материалов являются твердые растворы или . Как правило, переменные конденсаторы имеют форму дисков толщиной 0,4 -- 0,6 мм.

Такой конденсатор снаружи покрыт красной эмалью и на его корпусе стоит голубая точка.

Характерным свойством сегнетоэлектрика является наличие диэлектрического гистерезиса. Благодаря такому свойству данные диэлектрики используют для записи информации. Поляризация в одном направлении - значит сохранение единицы информации в памяти, изменение направления поляризации хранение нуля информации. Для подобного использования берут вещества, у которых петля гистерезиса близка к прямоугольной.

Такая петля наблюдается в сегнетоэлектриках, которые являются монокристаллами, например, в триглицинсульфате. Так как направление поляризации сегнетоэлектрика можно изменять, используя внешнее поле разной полярности, на этом свойстве основали запись, стирание и считывание информации.

Информацию можно считывать с помощью оптического метода или измеряя сопротивление пленки полупроводника на поверхности сегнетоэлектрика. При этом толщина кристалла определяет время, которое необходимо для переключения кристалла.

Лазеры

Некоторые сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики имеют очень выраженный электрооптический эффект. Он состоит в изменении показателя преломления среды, вызываемый внешним электрическим полем.

Данные свойства сегнетоэлектриков используют для модуляции излучения лазеров, которое делают с помощью поля, которое приложено к кристаллу. Для подобных целей используют кристаллы , и некоторые другие.

Сегнетополупроводники

Использование как сегнетополупроводников. Для получения подобных материалов сегнетокерамики легируют неодимом и марганцем, тогда в материалах появляются донорные и акцепторные уровни, проводимость повышается до величин, которые характерны для полупроводников.

Но высокая проводимость существует только в полярной фазе при температурах ниже, чем температура Кюри ( ). Около точки Кюри проводимость резко падает более чем в сто раз и снова повышается только когда температура достигает значений существенно превышающих . Данный эффект носит название - позисторный. Такие сегнетоэлектрики (позисторы) имеют низкое сопротивление при низкой температуре и высокое при высокой температуре.

Позисторы применяются как элементы систем теплового контроля в измерительной технике, в пусковых системах, в авторегулировке.

2.3. Пъезоэлектрики.

Пъезоэлектриками называются твердые анизотропные кристаллические вещества, которым свойственен пъезоэлектрический эффект – появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях кристалла вследствие механической деформации (сжимания, растяжения и др.). Возникающая при этом поляризация прямо пропорциональна механическому напряжению : , – пъезоэлектрический модуль, который определяет поляризованность или плотности поверхностного заряда при заданном механическом напряжении. Значение пъзомодуля для материалов, которые практически используются, составляют от 2,3∙10-12 (для кварца) до

---

(для лучших сортов пъезокерамики). Изменение знака например, изменение растяжения сжиманием, приводит к изменению знака поляризации , то есть до переполяризации. Возникновение механических деформаций под действием электрического поля называют обратным пъезоэлектрическим эффектом. Кроме этого эффекта (линейного по напряженности электрического поля ) в диэлектриках наблюдается деформация (обычно очень маленькая), пропорциональна квадрату напряженности поля , которая называется электрострикцией. При этом деформация не зависит от направления поля. Под действием переменного электрического поля частоты диэлектрик в результате электрострикции колеблется с частотой .

Пъезоэффект наблюдается только в веществах с гетерополярной химической связью, то есть пъезоэлектриками могут быть только ионные или сильнополярные диэлектрики.

Другим необходимым условием существования пъезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика. Иначе деформация будет вызывать симметричное смещение позитивных и негативных зарядов, и электрический момент не будет возникать. Пъезоэлектриками могут быть только вещества с высоким с высоким удельным сопротивлением. В достаточно проводных пъезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда. Поскольку любой диэлектрик имеет некоторый ток, все применения пъезоэффекта с переменными (быстропротекающими) процессами. Различают пъезоэлектрики монокристаллические и пъезокерамические.

Монокристаллическими есть природные и искусственно выращиваемые кристаллы, например кварц и сегнетова соль.

Пъезокерамика – поляризованные в постоянном электрическом поле при сегнетоэлектрики; являет собой поликристаллическую структуру. Поэтому пъезоэффект в ней слабее, чем у монокристалла; зато есть возможность изготовлять изделее любой формы и размеров; стоимость ниже по сравнению с монокристаллами.

Прямой пъезоэлектрический эффект используют для превращения механических напряженностей или смещений в электрические сигналы (звуковоспроизводящие аппараты, приемники ультразвука, датчики деформаций). Основным материалом для изготовления таких пъезоэлементов на сегодня является керамика на основе твердых растворов

---

– (цирконаттитанат свинца или коротко – керамика ЦТС). На высоких частотах (10-40 МГц) применяют керамические материалы на основе твердых растворов – и – .

Обращенный пъезоэлектрический эффект применяют для превращения электрических сигналов в механике (акустические излучатели, генераторы ультразвука и др.). Очень важным применением пъезоэффекта является кварцевая ( ) стабилизация генераторов электромагнитных колебаний. Благодаря пъезоэффекту электрические колебания возбуждаются механически, частота которых зависит только от размеров кристалла. При надобности кварцевый генератор размещают в термостате. Генераторы с кварцевой стабилизацией используются во всех радио- и телевизионных передатчиках, от самых сложных до простых радиоаматорских. Двойное превращение энергии (электрической в механическую и наоборот) и распространение в материале объемных волн в основе работы пъезорезонансных фильтров, линий задержки, пъезотрансформаторов. Благодаря тому, что длина волны акустических колебаний меньше, чем в электромагнитных, на пять порядков, размеры и масса, стоимость таких приборов соответственно намного меньше.

Пъезоэлектрики с успехом используются и в многих приборах с поверхностными акустическими волнами, которые обеспечивают широкие технические возможности для обработки сигналов.

Применение пъезоэлектрики

Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств. Некоторые пьезокерамические элементы уже изначально могут выполнять функции компонента или узла (например, пластинчатые биморфы) и не нуждаются в дополнительной доработке. Все изделия, изготовленные на базе пьезокерамики, подразделяют на следующие основные группы: генераторы, датчики (сенсоры), актюаторы (пьезоприводы), преобразователи и комбинированные системы.

---

Пьезокерамические генераторы

Пьезокерамические генераторы преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект. Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.

Пьезокерамические датчики

Пьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте.

В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.

Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации).

В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов используют диски, кольца, цилиндры и пластины. В качестве примеров можно привести датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т. п.

Гибкие датчики строятся на основе последовательных (слои керамики имеют противоположную направленность поляризации) и параллельных (направленность поляризации слоев совпадает) пьезокерамических биморфов. Наиболее распространены датчики силы и ускорения.

Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы)

Актюаторы строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела.

Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые, поперечные и гибкие. Осевые и поперечные актюаторы имеют еще общее название — многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 10 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Такие актюаторы также называют мощными. Гибкие актюаторы (биморфы) развивают незначительную блокирующую силу при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части. Однако американской компании APC International Inc. удалось создать и выйти на рынок с новым типом пластинчатого биморфа — «ленточным актюатором» (зарегистрированная торговая марка). Ленточный актюатор может обеспечивать блокирующую силу 0,95 Н и величину отклонения 1,2 мм или отклонение до 3 мм и блокирующую силу 0,6 Н.

---

Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. К этой же группе будут относиться и перспективные осевые актюаторы, представляющие собой моноблок, изготовленный по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы могут производиться предприятиями, не связанными с производством пьезокерамики. Гибкие же и осевые актюаторы из многослойной керамики сами по себе являются пьезокерамическими элементами. Их могут производить только предприятия, владеющие технологиями и оборудованием для производства пьезокерамических элементов.

Пьезокерамические преобразователи

Пьезокерамические преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Так же как и актюаторы, основываются на принципе обратного пьезоэффекта. Преобразователи в зависимости от диапазона частот подразделяются на три вида:

1. 
   звуковые (ниже 20 кГц) — зуммеры, телефонные микрофоны, высокочастотные громкоговорители, сирены и т. п.;
   
2. 
   ультразвуковые — высокоинтенсивные излучатели для сварки и резки, мойки и очистки материалов и т. п.
   

Пьезотрансформаторы.

Хотя настоящее потребление пьезотрансформаторов не так велико, потенциал их применения в будущем, тем не менее огромен.
Одним из перспективных направлений является их использование в бытовых и производственных газонаполненных осветительных приборах в качестве резонансных DC-AC конверторов.

Другим перспективным направлением использования пьезотрансформаторов является их применение в силовых устройствах. На рынке появились современные устройства, которые используют не традиционные однослойные пьезотрансформаторы, а многослойные трансформаторы. Примерами этого могут служить дисплеи обратного свечения на жидких кристаллах и системы управления холодным катодом флуоресцентного освещения. В качестве достоинств многослойных пьезотрансформаторов по сравнению с традиционными можно отметить их малый размер (особенно толщина) и меньшее потребление энергии.

Существует большая вероятность использования пьезотрансформаторов в перспективных телевизионных и компьютерных дисплеях. Уже отработаны прототипы таких дисплеев, которые получили название ПЭД — Полевые Эмиссионные Дисплеи. Это плоские панельные дисплеи, имеющие более высокую разрешающую способность и четкость изображения по сравнению с современными. Однако уже сейчас разрабатывается новое поколение экранов с немерцающим изображением (Flicker Free Image Screen), для питания которых также предусматривается использование многослойных пьезокерамических трансформаторов.

---

Смотрите также файлы

• Отчет по практической работе Структурные схемы измерительных преобразователей.docx

• Лекции 4 Обучающийся Сорокина А. С. Курс, группа 121ингт103М.docx

• Отчет по практической работе Технологической контроль конструкторской документации.docx

• Протокол 1 от 30. 08. 2013г. А. Д. Албекгаджиев Приказ 5от10. 09. 2013г положение о порядке учёта библиотечного фонда.docx

• Планконспект проведения занятий с группой личного состава дежурных караулов 132псч.docx