Процессы переключения в синусоидальных полях разных частот

Представляет интерес сравнение процессов переключения, происходящих в керамике ЦТС при выдержке образца в полях различных частот. Поскольку, как было показано выше, у образцов большей площади, при прочих равных условиях, можно получить насыщенную петлю, логично

проводить исследования именно на таких образцах.

При выдержке образцов керамики ЦТС в электрическом поле постоянной амплитуды максимальная температура разогрева образца зависела от частоты подаваемого поля (таблица 4.2). При этом на частотах, когда температура саморазогрева не достигала 100 ⁰C, наблюдались только частные петли диэлектрического гистерезиса (рис. 4.15 - 4.16, а, в), форма которых не изменялась во времени. Для данного частотного диапазона напряжение на образце сохранялось равным подаваемому с усилителя (таблица 4.2). Начиная с частоты 220 Гц, образец разогревался до температуры 100 ⁰C, после чего происходило падение коэрцитивного поля и рост переключаемой поляризации, сопровождающийся резким ростом температуры образца. В результате выдержки образца в поле петля трансформировалась в полную (рис. 4.17, а). Интересно отметить, что оптимальный режим поляризации керамики ЦТС в промышленном производстве составляет 100 ⁰C [Отраслевой стандарт1988]. Таким образом, эта температура является некой критической температурой, при которой активизируются процессы переключения керамики ЦТС.

После окончания формирования петли диэлектрического гистерезиса температура саморазогрева выходила на насыщение (рис.

саморазогрева (таблица 4.2) с увеличением частоты. Интересно отметить, что зависимость P_rev, так же, как и для CBN32 (пункт 3.1) коррелирует с зависимостью температуры саморазогрева от частоты внешнего электрического поля (рис. 4.16 - 4.21, б). При этом на частоте выше 600 Гц наблюдается значительное снижение значения переключаемой поляризации, и уменьшение площади петли (рис. 4.20 - 4.21, а, б). Максимальная по площади петля диэлектрического гистерезиса фиксировалась на частоте 220 Гц в момент резкого роста температуры (рис. 4.17, а, б, в). Интересно добавить, что зависимость температуры саморазогрева от времени выдержки в поле частотой 220 - 300 Гц (рис. 4.17 - 4.19, рис. 4.22, б), так же, как и для образца монокристалла CBN имеет два участка (пункт 3.1, рис. 3.2 - 3.5). Для более высоких частот первый участок на кривой температуры саморазогрева отсутствовал. Практически сразу после включения поля наблюдался резкий рост температуры (рис. 4.20-4.21).

Рис. 4.15 Петли диэлектрического гистерезиса (а), зависимости температуры саморазогрева (б) от времени выдержки в синусоидальном поле E_m= 850 В/мм/= (кривая 1-50 Гц, кривая 2 - 100 Гц, кривая 3 - 150 Гц, кривая 4 - 200 Гц) для образца ЦТС-19, S=O.25 см². Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Рис. 4.16 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в синусоидальном поле E_m = 850 В/мм,/= 210 Гц.

Рис. 4.17 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в синусоидальном поле E_ia = 850 В/мм,/= 220 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Рис. 4.18 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в синусоидальном поле E_ra = 850 В/мм,/= 300 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Рис. 4.19 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в синусоидальном поле E_m= 850 В/мм,/= 400 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Рис. 4.20 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в синусоидальном поле E_m= 850 В/мм,/= 600 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Рис. 4.21 Петля диэлектрического гистерезиса (а); зависимости переключаемой поляризации (б) и температуры саморазогрева (в) от времени выдержки образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в синусоидальном поле E_m= 850 В/мм,/= 1500 Гц. Масштаб по оси ОХ: 280 В/дел, OY: 2 В/дел

Как следует из приведенных выше результатов, температура, до которой разогревался образец в процессе выдержки в электрическом поле, имеет максимальное значение в диапазоне частот 220 - 300 Гц.

Таблица 4.2 Максимальная температура саморазогрева, время выхода температуры на насыщение, время появления полной петли и напряжение на образце в синусоидальных электрических полях

Рис. 4.22 Зависимость максимальной температуры саморазогрева образца от частоты переключающего поля (а) и временная зависимость температуры саморазогрева на разных частотах (б) при выдержке в синусоидальном поле E_m= 850 В/мм для образца ЦТС-19, S = 0.25 см²

Рисунок 4.22, б показывает зависимость температуры саморазогрева от времени для разных частот электрического поля, в котором осуществлялась выдержка образца.

Таким образом, скорость разогрева зависит от частоты поля, в котором осуществлялась выдержка образца (рис. 4.23). Поскольку, как было показано выше, увеличение частоты поля ведет к сокращению времени формовки петель, можно предположить, что это связано с увеличением скорости саморазогрева образца. Как видно из графика скорость разогрева является линейной во всем диапазоне частот от 50 до 1500 Гц.

При увеличении частоты электрического поля, изменение переключаемой поляризации для частных петель (наблюдаемые в начальный момент подачи на образец поля) практически отсутствует, тогда как максимальные значения переключаемой поляризации (для сформированных петель гистерезиса) уменьшаются с ростом частоты (рис. 4.24). Зависимость P_rev(рис.4.24 в, кривая 2) коррелирует с частотной зависимостью

максимальной температуры саморазогрева (рис. 4.22, а). В начальный момент времени фиксируются только частные петли в независимости от частоты внешнего поля (рис. 4.24, а).

Рис. 4.23 Зависимость скорости изменения температуры саморазогрева образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в начальный момент включения от частоты поля

На временных зависимостях переключаемой поляризации (рис. 4.25, а), полученных для образца ЦТС при выдержке в электрическом поле на разных частотах так же, как и для временных зависимостей температуры саморазогрева, можно выделить два участка. Частоты, при которых наблюдаются либо только один участок, либо оба участка совпадают с частотами для временных зависимостей температуры. При этом в отличие от аналогичного графика временных зависимостей коэрцитивного поля (рис. 4.25, б) для образца монокристалла CBN (пункт 3.2, рис. 3.13.6) для керамики ЦТС имеет место только один участок.

Рис. 4.24 Петли диэлектрического гистерезиса (а, б) и зависимость переключаемой поляризации от частоты (в) для образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в поле напряженностью 850 В/мм. а, в (кривая 1) - в момент подачи поля разной частоты; б, в (кривая 2) - максимальное значение

Рис. 4.25 Зависимости переключаемой поляризации (а) и коэрцитивного поля (б) от времени при выдержке образца ЦТС-19, S = 0.25 см² в электрическом поле напряженностью 850 В/мм, частотой от 50 до 1500 Гц

Интересно добавить, что коэрцитивное поле падает с ростом температуры разогрева (рис. 3.14.а). При этом ход зависимостей совпадает с полученными раннее для образца ЦТС-19 в условиях обычного нагрева в термостатируемой камере (рис.4.26, б) [Малышкина2016].

Рис. 4.26 Температурные зависимости коэрцитивного поля для образца ЦТС- 19, S = 0.25 см² при саморазогреве в электрическом поле напряженностью 850 В/мм, частотой от 50 до 1500 Гц (а); в условии обычного нагрева в термостатируемой камере (б) [Малышкина2016];

Падение напряжения на образцах, разогретых до температуры более IOO⁰C (рис. 16), обусловлено ростом проводимости образца с увеличением температуры. Изменение формы петли, имеющее место в процессе ее трансформации из частной в насыщенную аналогично наблюдаемому ранее в процессе обычного нагрева керамики ЦТС [Малышкина2016].

4.3