Процессы переключения в полях частотой 50 Гц

Классическая методика наблюдения петель диэлектрического гистерезиса, описанная в работе Сойера-Тауэра, позволяет получать осциллограммы петель при выдержке образцов в электрических полях различных амплитуд промышленной частоты (рис.

В проведенном цикле исследований на частоте электрического поля 50 Гц, амплитудное значение подаваемого напряжения изменялось в интервале от 560 В до 2100 В.

Рис. 4.1 Схема наблюдения петель диэлектрического гистерезиса, предложенная Сойером-Тауэром [Sawyerl930].

Были рассмотрены процессы формирования петли диэлектрического гистерезиса, происходящие в образце пьезоэлектрической керамики составов ЦТС-19 площадью S = 4.9 см².

Для образцов керамики ЦТС-19, также, как и для монокристаллов CBN32, при выдержке образца во времени в поле постоянной амплитуды происходит изменение формы петли с одновременным саморазогревом образца (рис. 4.2 - 4.7). Вид петли гистерезиса и температура саморазогрева (таблица 4.1) зависели от величины подаваемого на образец электрического поля. В полях ниже 500 В/мм не наблюдались даже частные петли диэлектрического гистерезиса, т.е. имела место линейная зависимость поляризации от поля. При подаче на образец электрического поля амплитудой до 2000 В/мм на всем интервале времени выдержки наблюдались только частные петли диэлектрического гистерезиса (рис. 4.2 - 4.6, а). Насыщенную петлю удалось получить только в поле 2100 В/мм (рис.

В момент включения электрического поля амплитудой от 560 - ИЗО В/мм напряжение на образце превышало подаваемое с трансформатора (таблица 4.1). Ранее подобный эффект увеличения напряжения наблюдался на кристаллах беспримесного SBN и описан в работах [Малышкина2004, Malyshkina2005]. Увеличение напряженности поля приводило к меньшему, по сравнению с подаваемым, значению напряжения в момент включения поля.

Рис. 4.2 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б), температуры саморазогрева и отношения напряжения на образце к подаваемому с трансформатора (в) от времени выдержки образца ЦТС-19 в синусоидальном поле E_m= 560 В/мм. f= 50 Гц. S = 4.9 см². Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 20 В/дел

Рис. 4.3 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б), температуры саморазогрева и отношения напряжения на образце к подаваемому с трансформатора (в) от времени выдержки образца ЦТС-19 в синусоидальном поле E_m = 710 В/мм. f= 50 Гц. S = 4.9 см². Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 20 В/дел

Рис.

Рис. 4.5 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б), температуры саморазогрева и отношения напряжения на образце к подаваемому с трансформатора (в) от времени выдержки образца ЦТС-19 в синусоидальном поле E_m=ИЗО В/мм. /= 50 Гц. S = 4.9 см². Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 20 В/дел

Рис. 4.6 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б), температуры саморазогрева и отношения напряжения на образце к подаваемому с трансформатора (в) от времени выдержки образца ЦТС-19 в синусоидальном поле E_m= 1700 В/мм. f= 50 Гц. S = 4.9 см². Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 20 В/дел

Рис. 4.7 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б), температуры саморазогрева и отношения напряжения на образце к подаваемому с трансформатора (в) от времени выдержки образца ЦТС-19 в синусоидальном поле E_m= 2100 В/мм. f= 50 Гц. S = 4.9 см². Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 20 В/дел

Таблица 4.1 Максимальная температура саморазогрева и напряжение

на образце для разных электрических полей

Обращает на себя внимание тот факт, что при выдержке в поле от 560 до 710 В/мм, на момент выхода температуры саморазогрева на насыщение, напряжение на образце падало, но по-прежнему оставаясь выше подаваемого с трансформатора (рис. 4.2, 4.3, в).

Рис. 4.8 Изменение напряжения на образце относительно подаваемого значения в начальный момент включения поля (кривая 1) и после выхода температуры саморазогрева на насыщение (кривая 2) для образца ЦТС-19, S = 4.9 см²

В электрическом поле 2100 В/мм в начальный момент времени, как и для всех меньших значений амплитуд напряженности, наблюдалась частная петля диэлектрического гистерезиса. При этом в момент выхода температуры саморазогрева на насыщение (136 ⁰C) петля эволюционировала в полную. Время формовки петли составило 2 минуты. Напряжение на образце составило 1345 В, а коэрцитивное поле упало на 430 В/мм (от начального в 820 В/мм) и для сформированной петли составило 390 В/мм. Дальнейшая выдержка не приводила к трансформации петли. Значение напряжения для сформированной петли составило 30% от подаваемого.

Падение напряжения сопровождалось снижением значения переключаемой поляризации (рис. 4.13, б). При этом, в первые минуты выдержки образца в полях до ИЗО В/мм, имел место незначительный рост переключаемой поляризации (рис. 4.2 - 4.4, б).

Рис. 4.9 Петли диэлектрического гистерезиса, наблюдаемые в момент подачи поля разной амплитуды для образца ЦТС-19, S = 4.9 см². Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 20 В/дел. f = 50 Гц. Цифрами отмечено подаваемое на образец напряжение

Рис.

При выдержке образца в переменном поле температура саморазогрева выходит на насыщение (рис. 4.11). Можно видеть, что в зависимости от величины прикладываемого поля, образец разогревался до разной температуры (рис. 4.11-4.12). Время, в течение которого температура образца выходит на насыщение, уменьшается при увеличении амплитуды подаваемого поля (на рисунке отмечено пунктиром). В переменных полях, при которых частные петли не раскрывались, также как и в постоянных полях до 2100 В/мм, саморазогрев образцов отсутствовал.

Рис. 4.11 Зависимость температуры саморазогрева от времени выдержки

при различных значениях подаваемого напряжения частоты 50 Гц для образца ЦТС-19, S = 4.9 см²

Максимальные значения температуры, до которой разогревается образец, в зависимости от подаваемого с генератора напряжения представлены на рис. 4.12. Температура саморазогрева начинает выходить на насыщении в поле 1410 В/мм. Дальнейшее увеличение амплитуды, прикладываемого к образцу поля, не приводит к существенному росту максимальной температуры.

Рис. 4.12 Зависимость максимальной температуры саморазогрева от подаваемого напряжения для образца ЦТС-19, S = 4.9 см²

Переключаемая поляризация монотонно возрастает с ростом величины переключающего поля на всем исследуемом интервале амплитуд (до 2100 В/мм) (рис. 4.13, а), что может свидетельствовать о постоянном включении в процесс переполяризации новых областей образца. При этом переключаемая поляризация P_revв каждом поле зависит от времени только в первые 1-2 минуты выдержки в поле (рис.

Рис. 4.13 Зависимость максимального значения переключаемой поляризации (P_rev) от амплитуды подаваемого на образец поля (а) и временная зависимость P_revдля разных амплитуд напряжений (б) для образца ЦТС-19, S = 4.9 см²

Согласно общей теории процессов переключения коэрцитивное поле является характеристикой материала и не зависит от геометрических параметров исследуемых образцов. В то же время исследование образцов разных размеров в переключающих электрических полях на одинаковой частоте показало, что раскрытие петель диэлектрического гистерезиса при одинаковом значении поля имело место для образца большего размера (4.9 см²), тогда как для образца с меньшей площадью (0.25 см²) петли не наблюдались. При этом наблюдалось различие в максимальных температурах саморазогрева. Так для образца площадью 4.9 см² (рис. 4.14, кривая 1) максимальная температура саморазогрева составила 95 ⁰C, а для образца площадью 0.25 см² - 34.5 ⁰C (рис. 4.14, кривая 2). Отсюда следует, что формовка петли определяется не столько величиной прикладываемого к образцу электрического поля, сколько температурой, до которой разогревается образец.

Рис. 4.14 Зависимость температуры саморазогрева для образцов: ЦТС-19, S = 4.9 см², ЦТС-19, S = 0.25 см² при выдержке в поле амплитудой 850 В/мм на частоте 50 Гц.

4.2