Пироэлектрик реагирует на приращение собственной
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Муниципальное образовательное учреждение многопрофильная гимназия №12 г. XVI научно-практическая конференция школьников «Шаг в будущее» Научно-исследовательская работа по физике «Пироэлектрики и их практическое применение» Выполнил: ученик 9 «а» класса гимназии №12 Синитенков Игорь Борисович Научный Руководитель: Профессор ТвГУ, доктор физ.-мат.наук Малышкина Ольга Витальевна Преподаватель: Почетный работник РФ Андреева Ольга Николаевна Тверь, 2013 Содержание Введение..................................................................................................................... 3 1. Литературный обзор 1.1 Основные понятия.......................................................................................... 4 1.2 Практическое применение............................................................................. 7 2. Устройство, включающееся при изменении температуры, на основе пироэффекта...................................................................................................... 12 2.1 Исследование физических характеристик пироэлектрических материалов........................................................................................................... 12 2.2. Рассмотрение электрической схемы.......................................................... 14 2.3. Сборка устройства.................................................................................... 16 3. Заключение........................................................................................................ 17 4. Список литературы.......................................................................................... 17 2 ВВЕДЕНИЕ Широкое применение в различных областях электроники находят материалы, обладающие спонтанной поляризацией. Такие материалы относятся к особому классу – пироэлектриков. Их функционирование в первую очередь обусловлено возникновением на гранях образцов электрического заряда при изменении их температуры. Это свойство делает их достаточно привлекательными для ряда практических применений. Целью работы ставилось создание устройства, которое реагирует на изменение температуры, в основе работы которого лежит пироэлектрический эффект. Задачи исследований заключались: в исследование физических характеристик материала, планируемого использовать в качестве пироэлектрического датчика; создании электрической схемы для работы устройства, реагирующего на изменение температуры; в сборке устройства. 3 1.Литературный обзор. ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1.1 Основные понятия. Пироэлектрики являются подклассом диэлектриков – веществ, плохо проводящих или совсем не проводящих электрический ток. В диэлектрике нет свободных зарядов. Но можно полагать, что он состоит из связанных между собой положительных и отрицательных зарядов. Под воздействием электрического поля может измениться взаимная ориентация положительного и отрицательного зарядов, например небольшой сдвиг в пределах одного кристалла. По-прежнему внутри диэлектрика сумма положительных и отрицательных зарядов будет равна нулю (рис.1). Рис.1 Схема плоского конденсатора, наполненный диэлектриком. Таким образом, под воздействием электрического поля в диэлектрике происходит поляризация, т.е. ограниченное перемещение зарядов в теле диэлектриков. В отличие от обычных диэлектриков, у пироэлектриков поляризация (разделение связанных зарядов внутри вещества) возникает в отсутствие внешнего электрического поля (т.е. самопроизвольно). Такая поляризация называется спонтанной. Наличие спонтанной поляризации - это то, что отличает пироэлектрики от обычных диэлектриков. Наличие у пироэлектриков спонтанной поляризации приводит к существованию ряда специфических свойств, находящих широкое практическое применение. Одним из таких свойств является наличие пироэлектрического эффекта, от которого они и получили свое название. Явление изменения величины спонтанной поляризации при изменении температуры образца получило название пироэлектрический эффект. 4 Количественной величиной, характеризующей пироэлектрические свойства материалов, является пироэлектрический коэффициент. По определению, пироэлектрический коэффициент есть изменение спонтанной поляризации ( Pc ) пироэлектрика с изменением его температуры: Pc . T (1) Суть пироэлектрического эффекта состоит в том, что когда пироэлектрик находится в свободном состоянии, спонтанная поляризация (связанные заряды, расположенные внутри образца) экранируются свободными зарядами из окружающей среды. При изменении поляризации происходит изменение величины экранирующего заряда. В результате, при замыкании металлизированных обкладок образца, во внешней цепи будет протекать электрический ток, называемый пироэлектрическим током (рис. 2). Величина тока обычно составляет 10-11 – 10-9 А, что затрудняет его прямое измерение в связи с малой величиной. В эксперименте для измерения пироэлектрических характеристик материалов используют специальные усилители. Рис. 2. Схематическое изображение возникновения пироэлектрических зарядов: (а) – направление поля при поляризации образца; (б) – схема измерения пироэлектрического заряда. Очевидно, что для практического использования пироэлектрического эффекта необходимо пироэлектрического иметь материалы коэффициента. с Однако, большими известные значениями линейные пироэлектрики, спонтанная поляризация в которых существует во всей области существования кристаллической фазы вплоть до температуры плавления, 5 имеют весьма низкие значения пироэлектрического коэффициента порядка 10-5 – 10-4 Кл/(м2К). Поэтому пироэлектриков вставал, не вопрос пока не о практическом появились применении сегнетоэлектрические кристаллы, у которых спонтанная поляризация возникает при некоторой определенной температуре и сравнительно быстро увеличивается при ее понижении. Таким образом, в сегнетоэлектрических кристаллах спонтанная поляризация отсутствует в одной кристаллической модификации и возникает в другой. Следует, однако, иметь в виду еще одно важное обстоятельство, отличающее сегнетоэлектрические кристаллы от линейных пироэлектриков. Оно состоит в том, что ниже температуры фазового перехода сегнетоэлектрики разбиваются на области однородной электрической поляризации – домены, которые упакованы в объеме таким образом, что кристалл теряет макроскопическую поляризацию и, следовательно, пироэлектрический эффект. Таким образом, несмотря на огромные значения пироэлектрического коэффициента в каждом домене, происходит практически полная компенсация поляризованных зарядов на поверхности кристалла. Причина появления доменов в сегнетоэлектриках связана в основном с уменьшением при этом полной энергии системы кристалл – окружающее его электрическое поле. Процесс разбиения кристалла на домены заканчивается, когда уменьшение энергии электрического поля скомпенсируется положительным вкладом энергии доменных границ – пограничных слоев между доменами. Для того чтобы сегнетоэлектрический кристалл приобрел пироэлектрические свойства, необходимо сделать его поляризацию однородной, а сам кристалл – монодоменным. Это оказывается замечательным свойством возможным сегнетоэлектриков благодаря является тому, что возможность переключения направления спонтанной поляризации внешним электрическим полем. Проблема, таким образом, состоит в том, чтобы создать и поддерживать монодоменное состояние, пироэлектрического обеспечивающее коэффициента. Некоторые максимальную возможности величину создания устойчивого монодоменного состояния – это введение в сегнетоэлектрическую 6 матрицу полярных дефектов, создающих внутреннее смещающее поле, постоянно поляризовывающее кристалл. Широко используются керамические сегнетоэлектрики на основе твердых растворов титаната свинца и цирконата свинца с различными добавками. Керамические образцы, охлажденные в электрическом поле с прохождением точки Кюри, сохраняют остаточную электрическую поляризацию, достаточную для их эффективного использования в качестве пироэлектрических элементов. 1.2 Практическое применение Пироэлектрик реагирует на приращение собственной температуры и, рассматривая его роль в простейших тепловых цепях нетрудно представить его в качестве индикатора всех трех величин, характеризующих тепловую цепь: 1) Теплового потока, обусловленного непосредственным конвективным или контактным теплообменом с внешним источником или источником тепла на поверхности пироэлектрика. 2) Теплового сопротивления. В собственно тепловой цепи это теплопроводность и теплоемкость среды, определяющей тепловой поток между тепловым источником и стоком. 3) Температуры. Пироэлектрик позволяет получить информацию о параметрах тепловой цепи и соответственно о многочисленных первичных величинах, трансформированных в ее параметры. Тепловое воздействие на пироэлектрик может использоваться для получения информации об изменении состояния самого пироэлектрика под какими-либо другими воздействиями и как следствие для определения типа и уровня этих воздействий. Тепловое воздействие выступает в данном случае как вспомогательное, зондирующее. Оно призвано определить изменение свойств пироэлектрика, участвующего в преобразовании. Действие теплового зонда полностью аналогично функции напряжения, приложенного к мостовой схеме. Посредством этого напряжения 7 определяется сопротивление терморезистора и в конечном итоге значение температуры – первичного параметра, воздействующего на терморезистор. Теперь можно дать обобщенную характеристику двум классам пироэлектрических преобразователей: 1) генераторные, в которых выходной электрический сигнал дает информацию о связанной с ним измеряемой величине; 2) параметрические, в которых выходной электрический сигнал дает информацию о воздействии, изменившем свойства (параметры) пироэлектрика, участвующие в формировании электрического сигнала. Из-за малой мощности выходных электрических сигналов пироэлектриков основная сфера их применения охватывает датчики различных типов и в меньшей степени элементы автоматики другого назначения: преобразователи энергии, запоминающие устройства и т.п. С конвективным теплообменом связаны проблемы измерения направлений и скоростей потоков газов и жидкостей, параметров дыхания человека и животных, теплообмена ударной волны с космическим аппаратом при его входе в атмосферу и т. д. Контактный теплообмен – это универсальный метод количественного анализа химических веществ по теплоте каталитических реакций и других теплот поверхностных взаимодействий. Нанесение на пироэлектрик поглощающего покрытия позволяет использовать его нагрев для измерения потока электромагнитного излучения и потоков частиц. Таким способом, пироэлектрик может быть применен для измерения всех параметров одиночного луча при длинах волн излучения от жесткого электромагнитного до дециметрового диапазона или для воспроизведения пространственного распределения мощности, т.е. получения изображений. По параметрам воспринятого излучения можно характеризовать источник, т.е. применительно, в частности, к тепловому инфракрасному излучению получать информацию о его температуре или тепловой картине в целом. Приборы такого назначения получили название пироприемников и 8 пироэлектрических преобразователей изображения. Те же функции они выполняют при взаимодействии с потоками частиц – электронов, нейтронов, ионов и нейтральных атомов. Использование пироэлектриков для измерения теплового сопротивления среды существенно расширяет диапазон их практических приложений. В этом направлении пироэлектрики позволяют не только измерять удельную теплоемкость и теплопроводность твердых, жидких и газообразных тел, но и по этим характеристикам идентифицировать компоненты жидки и газообразных смесей. Энергетическим аналогом теплового сопротивления является среда распространения названных выше энергетических потоков, изменяющая первоначальные их параметры. Пироэлектрические приемники, воспринимающие прошедший поток, позволяют получать информацию о свойствах среды. В 1766 году шведский академик И. К. Вилке опубликовал историю исследований пироэлектричества и иллюстрировал ее рисунками. Но он не мог предположить, что один из них представляет собой первую в истории человечества схему искусственного приемника излучения с электрическим выходом (рис.2). 3 В настоящее время пироприемники стали основным типом тепловых приемников излучения и выпускаются в широком ассортименте как внутри страны, так и за рубежом. Принципиальная схема пироприемника очень проста. Тонкая пластинка полярного среза пироэлектрика с нанесенными на нее 9 металлическими электродами нагревается излучением, поглощаемым специальным покрытием одного из электродов. К электродам подключено сопротивление нагрузки напряжение, на котором усиливается микросхемой и передается для дальнейшей обработки. Широкое применение получили пироприемники рентгеновского излучения. Их используют в медицинской радиологии, для измерения радиационных потерь в плазме лазерного термояда, со стационарными и импульсивными рентгеновскими установками. Созданы и пироэлектрические рентгеновские дозиметры, устойчивые и воспроизводимые по свойствам при уровне доз до 2106 рад. Некоторые приемники применяются в радиометрии, охранно-пожарных сигнализаций, детектировании лазерного излучения, дистанционном включении исполнительных устройств, охранных системах. Высокая чувствительность и быстродействие приемников обусловили их повсеместное использование в новейших средствах спектрометрии – фурьеспектрометрах, позволяющих в считанные секунды получать сложные широкополосные спектры. Но все-таки наиболее важно измерение мощности потоков излучения. В пироэлектрических измерителях мощности излучения пластина пироэлектрика попеременно нагревается потоком излучения и электрическим нагревателем, мощность которого несложно измерить с высокой точностью. Отсутствие переменной составляющей в выходном напряжении пироэлектрика свидетельствует о равенстве мощностей нагрева излучением и подстраиваемым подогревателем. Преобразование тепловой энергии в электрическую и поныне остается актуальной проблемой, волнующей исследователей и побуждающей их к опробыванию нетрадиционных эффектов в этой роли. Пироэлектрический эффект не стал исключением – уже в течение почти 100 лет не прекращаются попытки создать на его основе теплоэлектрический генератор энергии. Преобразователи тепловой энергии в электрическую применяются в устройствах самого разнообразного назначения, и именно назначение этих 10 устройств определяет требования к рабочим параметрам преобразователей и их эксплутационным свойствам. Стационарно и длительно работающие преобразователи большой мощности должны иметь повышенный КПД. В последние несколько лет появилась надежда на преодоление крайне низкого КПД пироэлектрических преобразователей, лимитирующего фундамен- тальными причинами: энергия, необходимая для измерения температуры кристаллической решетки в целом, всегда много больше энергии, расходуемой на смещение структурных элементов, обусловливающих изменением спонтанной поляризации. Энергия выделившихся электрических зарядов, в свою очередь, много меньше тепловой энергии смещения дипольных структурных элементов. Не выдерживая конкуренции с другими типами теплоэлектрических преобразователей по КПД, пироэлектрические преобразователи выгодно отличаются от них простотой технологии и малой стоимостью, широким диапазоном рабочих температур, высокой устойчивостью к механическим воздействиям, радиационной стойкостью и т.д. В соответствии с этим ранее пироэлектрические преобразователи энергии были конкурентоспособны лишь в устройствах, в которых при избытке тепловой энергии важнейшим параметром является надежность. К таким устройствам относятся устройства специального назначения, в первую очередь взрыватели различных типов. Современные материалы, используемые в области температур сегнетоэлектрических фазовых переходов, и изящные конструктивные решения позволили в известной мере нейтрализовать фундаментальные ограничения величины КПД. По некоторым литературным оценкам, многокаскадные пироэлектрические машины, выполненные из высококачественных материалов, могут достичь непрерывного съема мощности до 2 кВт/дм3, что свидетельствует о весомости теоретических оценок. Основная предполагаемая сфера применения таких преобразователей – космические аппараты и орбитальные станции. 11 2. Устройство, включающееся при изменении температуры, на основе пироэффекта Целью работы ставилось создание устройства, которое реагирует на изменение температуры, в основе работы которого лежит пироэлектрический эффект. Работа состояла из нескольких этапов. 1. Исследование физических характеристик материала, планируемого использовать в качестве пироэлектрического датчика. 2. Рассмотрение электрической схемы. 3. Сборка устройства. 2.1 Исследование физических характеристик пироэлектрических материалов. Измерение пирокоэффициента При линейном изменении температуры величина тока описывается следующим выражением: I P P T Q S c S c Sb , t t T t (2) где Q – свободный заряд, протекающий во внешней цепи и компенсирующий изменение поляризации кристалла, S – площадь поверхности образца, – пирокоэффициент, b T t – скорость изменения температуры, Рс – спонтанная поляризация кристалла, Т – температура. Пироэлектрический коэффициент является физической характеристикой материала. Как видно из формулы (2), величина пиротока прямо пропорциональна величине пиркоэффициента. В работе измерение значений пирокоэффициента исследуемых материалов осуществлялось динамическим методом. 12 Суть пиросигнала динамического при метода измерения периодическом нагреве состоит и в регистрации охлаждении образца модулированным тепловым потоком. В наших экспериментах модуляция теплового потока осуществлялась импульсами прямоугольной формы, пиронапряжение (U) фиксировалось вольтметром средних значений. Пирокоэффициент в этом случае, определяется по формуле: = 2 U c d /(RОУ W), (3) где W – мощность теплового потока, - плотность кристалла, c – удельная теплоемкость, d – толщина образца, RОУ – сопротивление обратной связи операционного усилителя. Определение мощности теплового потока, падающего на образец, производилась следующим образом. В держатель ставился образец танталата лития LiTaO3 с известным значением пирокоэффициента (γ=1,610-8 Кл/см2К), не зависящим от мощности. Расчет мощности производился по формуле: W 2U Cd . R (4) Измерение диэлектрической проницаемости Экспериментально диэлектрическую постоянную, часто называемую диэлектрической проницаемостью вещества, можно определить, измерив емкость конденсатора, заполненного данным веществом C В настоящей полуавтоматическим работе 0 S d ёмкость универсальным . (5) исследуемого мостом образца Е7-20. измерялась Диэлектрическая проницаемость рассчитывалась по формуле: dC . 0S (6) 13 Выбор материала Результаты измерений пироэлектрического коэффициента и диэлектрической проницаемости для нескольких типов пьезоэлектрических керамик приведены в таблице 1. Таблица 1 Материал Керамика ЦТС-19 Керамика ЦТБС-3 Керамика ЦТСНВ-1 Керамика ЦТС-46 Пирокоэффициент γ, 10-4 Кл/(м2К) 5,16 6,2 7 1,5 Диэлектрическая проницаемость ε 1882 2251 1757 2368 γ/ε, 10-7 Кл/(м2К) 2,74 2,75 3,98 0,6 Оптимальным для использования в пироэлектрических датчиках считаются материалы с высоким пироэлектрическим коэффициентом и максимальным отношением γ/ε при одинаковом значении пирокоэффициента. В то же время величина пиротока зависит как от величины пирокоэффициента, так и от толщины образца (чем меньше толщина, тем больше ток): I = W / (2 c d). (7) Из имеющихся материалов (приведенных в таблице) ЦТС-46 имел минимальную толщину, но его пирокоэффициент тоже имеет очень низкое значение, поэтому этот материал был сразу исключен. Три остальных имеют сравнимые значения пироэлектрических коэффициентов. Поскольку образцы ЦТСНВ-1 и ЦТБС-3 имели толщину 3мм, а ЦТС-19 – 0,7 мм, то выбор был остановлен на материале ЦТС-19, не смотря на то, что его пироэлектирческие характеристики незначительно уступают двум другим материалам. 2.2. Рассмотрение электрической схемы. Устройство, назовем его «датчик тепла» реагирующее на пироэффект должно состоять из следующих компонентов: 1) непосредственно пиродатчик, 2) преобразователь (усилитель) пиротока, 14 3) то, чем фиксируем наличие пиротока. Образцы керамики, рассматриваемые в п.2.1 по сути и являются пироэлектрическими датчиками. Для наглядной фиксации пиротока было решено использовать светодиод, поскольку он, в отличие от обычных лампочек накаливания, может светиться при значительно меньших значениях напряжения. В качестве усилителя пиротока использовался преобразователь ток-напряжение, принципиальная схема которого приведена на рис. 4. Рис.4 Схема преобразователя ток–напряжение Устройство «датчик тепла» работает следующим образом. Пироэлектрический датчик механически закреплен на крышке корпуса и имеет хороший тепловой контакт с корпусом, выполненным из материала, имеющим высокую теплопроводность (сплав алюминия). Корпус является также одним из электродов цепи усилителя сигнала. Второй выход пиродатчика подключен к усилителю: преобразователю ток-напряжение, выполненном на высокоточном операционном усилителе OP1 типа OP27 с высоким входным 15 сопротивлением и очень высоким коэффициентом усиления. Для уменьшения влияния пьезоэффекта, полоса усиления операционного усилителя сильно ограничена и не превышает 10 герц. Так как операционный усилитель OP27 имеет малую нагрузочную способность и не может непосредственно управлять светодиодом, применен усилитель мощности на базе операционного усилителя средней точности OP2 типа К140УД608 с усилителем тока на транзисторе VT1 типа КТ3102. При этом появилась возможность плавной регулировки порога включения светодиода HL1 с помощью подстроечного резистора R4. Для питания устройства применяется 2 батареи "крона" 6F22 с напряжением 9 В. 2.3. Сборка устройства. Во-первых, был подготовлен корпус будущего прибора, состоящий из металлической коробки, разделенной на отсеки под плату и источники питания, и металлической крышки, к которой, с внутренней стороны, был прикреплен образец пироэлектрической керамики ЦТС-19. Во-вторых, электрическая схема устройства с бумаги была перенесена на специальную макетную плату, что позволило легко проверить на практике непосредственно действие устройства собранного по данной схеме, а значит впоследствии и работу самого прибора. На макетной плате происходила подборка резисторов с наиболее подходящим для нас сопротивлением, после чего работа устройства проверялась еще раз. Следующим ходом было перенесение схемы с макетной платы на основную, окончательное соединение путем спайки всех элементов и проверка работы уже готового прибора. 16 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения работы я познакомился с новым для меня физическим понятием – пироэлектрческий пироэлектрического эффекта. эффект, Научился с практическим измерять применением пироэлектрические характеристики материалов. Применил на практике полученные знания для создания устройства «датчик тепла». СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. С.Н. Дрождин. Физические основы пироэлектричества // Соросовский образовательный журнал. №12. 1998 г. 2. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. – М.: Советское радио, 1979. – 176 с. 3. Гаврилова Н.Д., Данилычева М.Н., Новик В.К. Пироэлектричество – М: Знание, 1989. – 64 с. 17
