بخشی از مقاله
چکیده
دی الکتریک ها دارای سه خاصیت مهم و خاص می باشند: پیروالکتریک ، پیزو الکتریک و فرو الکتریک که مواد فرو الکتریک در صنعت کاربردهای گوناگون دارند. برای استفاده مناسب از این مواد نیاز به مشخصه یابی های گوناگون داریم. از جمله ی این خواص، مشخصه یابی خاصیت فرو الکتریک بسیار مهم است. این مقاله ابتدا توضیحی در رابطه با دی الکتریک ها و خاصیت فرو الکتریک می دهد سپس با معرفی و استفاده از سیستمی الکترونیکی - ترمودینامیکی اقدام به مشخصه یابی مشخصه های قطبش اشباع ، دمای کوری مواد فرو الکتریک می نماید که در این رهیافت نیازمند نمودار پسماند قطبش بر حسب میدان الکتریکی اعمال شده به دو سر خارن نمونه - که از بلور فرو الکتریک ساخته شده است - می باشد.
مقدمه
به طور کلی همه مواد زمانی که در معرض نیروی خارجی ازقبیل میدان الکتریکی اعمالی، تنش مکانیکی و یا تغییر دمایی قرارمیگیرند دستخوش تغییری کوچک در ابعاد میشوند. بسته بهساختار ماده، این تغییر کوچک در اندازه میتواند منجر به تغییر در قطبش الکتریکی و بنابراین باعث وقوع آثار فروالکتریک،پیزوالکتریک یا پیروالکتریک شود. موادی که این آثار را نشانمیدهند باید قطبی باشند یا نظم الکتریکی داشته باشند و اغلب اینمواد بلور یا بسبلورهایی متشکل از بلورکها هستند.از آنجایی که دوقطبیهای داخلی ماده با شبکه ماده جفتشدهاند هر عاملی که شبکه را تغییر دهد شدت دوقطبیها را تغییرخواهد داد. دو محرکی که ابعاد شبکه را تغییر میدهند نیرو و دماهستند. اگر نیرو یا تنش خارجی به ماده اعمال شود بار سطحی درماده تولید میشود که به آن اثر پیزوالکتریک میگویند.تغییر در قطبش خودبهخودی ماده در پاسخ به تغییر دماپیروالکتریسیته نامیده میشود.[1]
فروالکتریسیته قطبش الکتریکی خودبه خودی ماده است کهمیتواند با اعمال میدان الکتریکی خارجی معکوس شود. موادی کهاین خاصیت را بروز میدهند مواد فروالکتریک نامیده میشوند. به عبارت دیگر فروالکتریکها دیالکتریکهایی هستند با قطبشالکتریکی خودبهخودی که با اعمال میدان الکتریکی مناسبمیتواند معکوس شوند. یعنی فروالکتریکها قطبش خودبهخودیبرگشتپذیر دارند. لغت خودبهخودی به این معنی است که قطبش مقدار غیر صفر در غیاب میدان الکتریکی اعمال شده دارد. لغتبرگشتپذیر به معکوس شدن جهت قطبش خودبهخودی به وسیله اعمال میدان در جهت مخالف، اشاره دارد.[2]برای فروالکتریکها رابطه بین قطبش و میدان بر خلافدیالکتریکها دیگر خطی نیست. شکل 1 نمودار قطبش بر حسبمیدان برای دیالکتریک عادی و فروالکتریک را نشان میدهد.با قرار دادن بلورهای فروالکتریک در یک مدار الکتریکی می-توان مشخصه هایی از آن را ارزیابی کرد که در ادامه ی مقاله بامعرفی این مدار به آن خواهیم پرداخت.
مدار الکتریکی
برجستهترین ویژگی از خواص فروالکتریک، وجود پسماند ورابطه غیرخطی بین قطبش P و میدان الکتریکی اعمالی F است.شکل 1 - چپ - حلقه پسماند را نشان میدهد. حلقه پسماند از این
واقعیت ناشی میشود که ماده نمیتواندفوراً به شرایط خارجی اعمال شده پاسخ دهد. برای بدست آوردن این حلقه به مدار الکتریکی ای مشابه مدار شکل3 نیازمندیم. بدین منظور از نقاطمشخص شده در مدار - یعنی کانال 1 و - 2 خروجی هایی به اسیلوسکوپ قرار می دهیم تا حلقه پسماند را در صفحه نمایش اسیلوسکوپ مشاهده نماییم - مانند شکل [4]. - 4 محور افقی میدان اعمال شده به دو سر بلور و محور عمودی قطبش بلور می باشد. بیشبنه ی قطبش را قطبش اشباع می نامند.[5]مواد فروالکتریک هم پیروالکتریک و هم پیزوالکتریکاند. همچنین مواد پیروالکتریک هم پیزوالکتریک هستند؛ ولی عکس آن صادق نیست.این موضوع در شکل 2 به خوبی نمایش داده شده است.[3]
انجام آزمایش
برای تهیه منحنی پسماند بلور، لازم است از بلور خازنی تهیه نموده و در مدار شکل 3 قرار داد. برای این منظور ابتدا قطعه ای ازبلور TGS در راستای [010] با ضخامت معینی برش و سپس صیقل می دهیم تا سطوحی صاف ایجاد گردد. در این مرحله دو سطح صیقل یافته با بلور را با کمک چسب نقره، نقره اندود میکنیم تا به یک خازن ساده ی تخت تبدیل شود. شکل 4 خازن تهیه شده از بلور TGS را نشان می دهد.خازن تهیه شده را در مدار شکل 3 در جای مشخص شده - sample , C2 - قرار می دهیم.در این مدار مقادیر مقاومت های R1 , R2 , R3 و ظرفیت خازن های C1، C3 و ولتاژ ورودی با توجه به ابعاد خازن نمونه - C2 - و جنس بلور مورد استفاده تعیین می شود.شکل 5 حلقه ی پسماند بدست آمده از بلور TGS خالص در دمای اتاق را نشان می دهد.
وابستگی حلقه پسماند به دما
دمای کوری دمایی است که در دماهای بیشتر از آن قطبش خودبهخودی از بین میرود که با Tc نشان داده می شود. مواد فروالکتریک خواص فروالکتریک را فقط در دماهای زیر Tc نشانمیدهند زیرا در دماهای پایین قطبی هستند و در دماهای بالا دیگر قطبی نیستند. بالای دمای کوری برخورد یونها در اثر گرما چیدمان دوقطبیها را به هم میزند و در نتیجه اثر پسماند ناپدید میشود.بنابراین شکل حلقه پسماند به دما وابسته است.همان طور که درشکل 6 دیده می شود، وقتی که دما زیاد میشود حلقه پسماند بادما تغییر میکند، تیزتر و باریکتر و نهایتاً ناپدید میشود.[6]شکل 6 روند تغییرات حلقه پسماند بر حسب دما.
برای بررسی این وابستگی سیستم ترمودینامیکی ای طراحی شد تا بتوان حلقه ی پسماند بلور را در دماهای مختلف مشاهدهکرد. شکل زیر تصویری از این سیستم را نشان می دهد.شکل7 تصویر سیستم ترمودینامیکی برای بررسی اثر دما برروی حلقه پسماند بلور .TGSاز ویژگی های این سیستم ترمودینامیکی می توان قابلیت کنترل دما با دقت 0/1 سانتی گراد به کمک یک المنت و دماسنج الکتریکی وایزوله بودن آن را نام برد.برای آزمایش سیستم طراحی شده، خازن تهیه شده از بلور TGSدرحالی که در مدار قرار داشت درون محفظه طراحی شده قرارداده شد. آنگاه دمای آن از صفر تا 55 درجه سانتیگراد تغییر دادهشد که نمودار های حاصل در شکل 8 نمایش داده شده است.
