Сегнетоэлектрик обычный диэлектрик
|
|
Если в обычных диэлектриках диполи ориентированны хаотично, то сегнетоэлектриках эти диполи могут группироваться по десять, сто и более штук с параллельно ориентированными диполями. Сегнетоэлектрики - только полярные диэлектрики. Области сегнетоэлектрика с параллельно ориентированными дипольными моментами называется доменами.
При внесении во внешнее электрическое поле сегнетоэлектрик в целом переориентируется в пространстве блоками дипольных моментов и если первоначально при малых напряженностях электрического поля разворот доменов затруднен, то при дальнейшем увеличении Едомены разворачиваются вдоль силовых линий Е как единое целое, а дальнейшее увеличение Е уже не вызывает переориентации диполей, если все домены выстроились вдоль поля.
Сегнетоэлектрик во внешнем электрическом поле.
|
При снятии внешнего электрического поля многие домены не возвращаются в исходное состояние. Таким образом, сегнетоэлектрик приобретает преимущественную поляризацию в отсутствии внешнего поля.
Свойства сегнетоэлектриков:
а) у обычных диэлектриков e составляет единицы, десятки единиц (c=1+e), у
сегнетоэлектриков сотни, тысячи единиц.
б)зависимость поляризованности от внешнего электрического поля нелинейна
( тогда, как Р= 
E для обычных диэлектриков, то есть линейна).
Вид зависимости, представленный на следующем рисунке, для поляризованности диэлектрика от внешнего электрического поля, носит название гистерезиса.
|
|
|
Электрический гистерезис в сегнетоэлектриках
Анализируем схему гистерезиса. Точка (1) характеризуется тем, что последовательное увеличение напряженности внешнего электрического поля Е приводит все к меньшему увеличению поляризованности, дальше после (2) происходит насыщение, т.е. поляризованность не изменяется при увеличении внешнего поля.
Если электрическое поле снимать (уменьшать), то поляризованность уменьшается не так как увеличивалось (3), а при полном снятии электрического поля Е=0 поляризованность сохраняется (P1) - это есть остаточная поляризованность.
Для того, чтобы снять остаточную поляризованность, следует приложить электрическое поле обратной полярности и величина напряженности, при которой поляризованность полностью снимается, численно равна Ес- коэрцитивная сила, возвращающая исходное положение (Р=0). Если увеличивать обратную напряженность (4), то домены переориентируются противоположным образом и при достижении (5) дальнейшее увеличение обратного поля также не приводит к увеличению поляризованности. Снятие обратного поля оставляет в диэлектрике поляризованность (P2), для ее снятия прикладывают силу Е’с и т.д.
|
|
|
Остаточную поляризованность, кроме внешнего поля можно снять нагревом. При нагреве тепловая энергия Q=3кТ/2 сообщается доменами, через них диполям и домены могут разрушатся, т.е. сегнетоэлектрик переходит в обычный диэлектрик с хаотичной ориентацией диполей. Если нагрев снять, то диполи опять, как правило, формируются в домены.
|
Температуры, при которой домены разрушаются (теряются сегнетоэлектрические свойства) называются температурой Кюри (точкой Кюри). Температура Кюри симметрична относительно нагрева и охлаждения. Потеря и восстановление сегнетоэлектрических свойств происходит при одной температуре. Причиной заставляющей отдельные диполи объединяться в домены, является энергетический выигрыш, т.е. при объединении отдельных диполей при создании доменов высвобождается энергия, что приводит к понижению собственной энергии сегнетоэлектрика.
Резистивные и емкостные преобразователи включаются в цепь параллельной отрицательной обратной связи электрометрического усилителя по напряжению.
Измерители с резистивными и емкостными преобразователями выполняются в виде комбинированных многопредельных приборов, предназначенных для измерения напряжения высокоомных источников и тока. Схема измерителя приведена на, рис. 7.10. При измерении тока сигнал от источника подается на входные зажимы электрометрического усилителя с включенными в цепь обратной связи резисторами 
или конденсаторами 
, коммутируемыми переключателем П.
|
|
|
Рисунок 7.10 – Схема комбинированного измерителя с резистивными и емкостными преобразователями
При достаточно высоком значений коэффициента усиления выходное напряжение при работе с резистивными преобразователями определяется выражением 
. При работе с емкостными преобразователями скорость изменения выходного напряжения 
, где 
- коэффициент деления выходного напряжения делителем 
- значения сопротивления резисторов и емкости конденсаторов, включенных в цепь обратной связи; 
- напряжения компенсации дрейфа нуля и устранения помехи.
Как видно из приведенных выражений, пределы измерения могут изменяться (при постоянном пределе измерителя выходного напряжения) путем выбора соответствующего резистора (конденсатора) или переключения делителя 
. Верхняя граница диапазона измерений зависит от максимального выходного напряжения электрометрического усилителя (обычно 10-30 В), нижняя граница (в случае применения резистора) определяется переменными составляющими помех по напряжению и току, при скомпенсированных постоянных составляющих помех. Нижний предел измерения напряжения на резисторе составляет порядка 1 мВ, что соответствует минимальному измеряемому току порядка 
А на всю шкалу.
|
|
|
Значения результирующей помехи, а также коэффициента напряжения резисторов обусловливают значительную (до 5-10 %) погрешность измерения таких токов. При больших измеряемых токах погрешность уменьшается до 2-3 %; при измерении тока с емкостным преобразователем в цепь обратной связи включается один из конденсаторов 
или 
. Верхний предел измеряемых токов с каждым конденсатором ограничивается максимальным значением выходного напряжения ЭМУ и минимально необходимым временем интегрирования, позволяющим произвести отсчет приращения напряжения с требуемой точностью; нижний предел определяется скоростью изменения помех по току и напряжению во входных цепях ЭМУ и интегрирующем конденсаторе. Существенное влияние на выбор нижнего предела измеряемых токов оказывает также ограничение максимального времени измерения эксплуатационными условиями.
Погрешность емкостного (интегрирующего) измерителя может быть снижена на порядок по сравнению с погрешностью резистивных измерителей. Интегрирующие измерители позволяют также получить большую чувствительность.
Для преобразования малых токов в напряжение наряду с резистивными и емкостными преобразователями используются логарифмирующие преобразователи, в которых логарифмирующими элементами с естественной нелинейностью являются полупроводниковые диоды, транзисторы, электровакуумные диоды, многоэлектродные лампы.
Вольтамперную характеристику логарифмирующего элемента целесообразно представлять в виде полинома первой степени с логарифмическим аргументом и остаточным членом, т. е. 
, где 
- выходное напряжение; 
- входной (измеряемый) ток; 
- соответственно смещение и крутизна логарифмической характеристики; 
- остаточный член, учитывающий отклонение вольтамперной характеристики от логарифмической зависимости (напряжение нелинейности логарифмической характеристики логарифмирующего элемента).
В качестве аргумента примем логарифм отношения измеряемого тока к значению 1 А, что позволит рассматривать аргумент как безразмерную величину. При этом размерность всех параметров характеристики - единицы напряжения.
Диапазон токов, в котором отклонение от логарифмической зависимости не превышает определенного значения, принято называть динамическим диапазоном логарифмической характеристики логарифмирующего элемента. Погрешность преобразования тока в напряжение с помощью логарифмирующего элемента зависит от большого числа факторов, вызывающих отклонение вольтамперной характеристики от номинальной логарифмической зависимости (зависимости с номинальными значениями 
).
Динамическое сопротивление логарифмирующего элемента, равное отношению приращения напряжения на нем к приращению тока через него, определяется выражением
(7.11)
т. е. обратно пропорционально измеряемому току.
В области токов 
А динамическое сопротивление достигает 
Ом. Собственная емкость логарифмирующего элемента определяет полосу пропускания логарифмического усилителя.
Существует несколько разновидностей схем логарифмических измерительных усилителей (ЛИУ), которые различаются способом соединения логарифмирующего элемента с линейным усилителем мощности. Схемы двухполярных логарифмических усилителей с диодными и транзисторными логарифмирующими элементами, представленные на рисунок 7.11, а, б, позволяют измерять токи обеих полярностей.
Логарифмирующий преобразователь представляет собой встречно-параллельное соединение диодов, обладающий симметричной характеристикой. Источник дополнительного напряжения необходим для компенсации неизменяющейся составляющей выходного напряжения логарифмирующего элемента с целью сужения диапазона входных напряжений ЭМУ. Напряжение 
подбирается таким, чтобы в одной из точек диапазона измеряемых токов входное, а следовательно, и выходное напряжения были равны нулю. Делитель служит для регулирования предела измерения. Транзисторы разной проводимости, включаемые параллельно в цепь обратной связи ЭМУ, применяются для обеспечения двухполярности ЛИУ с трехзажимным включением транзисторов.
Рисунок 7.11 – Схемы двухполярных логарифмических усилителей с диодными (а) и транзисторными (б) логарифмическими элементами
Калибровку передаточной характеристики двухполярного ЛИУ необходимо производить отдельно на каждой полярности, поскольку по смещению и крутизне характеристики применяемых логарифмирующих элементов могут отличаться друг от друга. Калибровка чаще всего выполняется следующим образом: на вход ЛИУ подают ток известного значения (чаще всего от встроенного источника тока) и регулировкой ( 
или 
)устанавливают на выходе напряжения, соответствующие номинальной передаточной характеристике усилителя:
(7.12)
где 
- коэффициент усиления ЭМУ; 
и 
-соответственно смещение икрутизна передаточной характеристики ЛИУ; 
- напряжение нелинейности передаточной характеристики ЛИУ.
Схема, приведенная на рис 7.11, а, позволяет осуществлять регулировку и по смещению, ипо крутизне в цепи каждого логарифмирующего элемента.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1035; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!