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MATERIALES FERROELÉCTRICOS

MATERIALES FERROELÉCTRICOS. Fernando Hueso González – BL 2. Laboratorio de Física del Estado Sólido Campus de Burjassot - Valencia 4º de Grado de Física – UVEG 21 de diciembre de 2010 ferhue#alumni.uv.es. ÍNDICE. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Materiales ferroeléctricos Ley de Curie

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MATERIALES FERROELÉCTRICOS

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  1. MATERIALES FERROELÉCTRICOS Fernando Hueso González – BL2 Laboratorio de Física del Estado Sólido Campus de Burjassot - Valencia 4º de Grado de Física – UVEG 21 de diciembre de 2010 ferhue#alumni.uv.es

  2. ÍNDICE • FUNDAMENTOS TEÓRICOS • Materiales ferroeléctricos • Ley de Curie • DISEÑO EXPERIMENTAL • Material y montaje • PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL • MEDIDAS Y RESULTADOS • Frecuencia variable a T ambiente • T variable a frecuencia fija • Muestra cilíndrica (resonancia) • CONCLUSIONES • Bibliografía

  3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS MATERIALES FERROELÉCTRICOS • Momento dipolar espontáneo, aun sin campo eléctrico • Dominios de Weiss con direcciones de polarización definidas • Ausencia de centro de inversión • Polarización depende de la temperatura Piroeléctricos • Polarización depende de la presión  Piezoeléctricos • Ciclo de histéresis • Temperatura de Curie • Numerosas aplicaciones • Condensadores • Detectores de infrarrojo • Generación/detección de ultrasonidos

  4. FUNDAMENTOS TEÓRICOS PEROVSKITAS • BaTiO3 • Fase ferroeléctrica • PZT (Pb, Zr/Ti, O) • Campo local • Singularidad • Transición de fase  fonón blando • Deformación del cristal • Cúbico (paraeléctrico)  tetragonal (ferroeléctrico)

  5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS LEY DE CURIE-WEISS Ley de Curie-Weiss T<TC fase ferroeléctrica T>TC fase paraeléctrica T=TC transición de fase (teoría de Landau)

  6. DISEÑO EXPERIMENTAL MATERIAL • PZT-8  cerámica piezoeléctrica, ferroeléctrica, piroeléctrica • Muestra (A) metalizada, S=20mm2, d=1mm • Portamuestras de Al, Rcalentamiento, Rplat (sensor T) • Cilindro con contactos eléctricos (Φ=5cm, h=1cm, e=0,2cm) • Generador de señalde frecuencia variable • Osciloscopio • Auto-transformador(alimentación Rcal) • Polímetros • Tensión VS • Rplat (calibrada en T)

  7. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL CONSTANTE DIELÉCTRICA • Aplicamos tensión alterna VE de frecuencia f. R conocido. • Muestra = condensador • Medida VS en la resistenciacon osciloscopio • Pérdidas efecto piezoeléctrico  Rm (lejos resonancia)

  8. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL CONSTANTE DIELÉCTRICA • Muestra = condensador + resistencia • Frecuencia variable, T ambiente • Ajuste a bajas frecuencias  Cm • Ajuste a altas frecuencias  Rm • Ecuación general: • Cm  ε Ajuste lineal Constante

  9. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL LEY DE CURIE-WEISS • Frecuencia fija baja (no resonante), T variable • Ecuación exacta (no aproximada a bajas frecuencias): • Cm(T), ε(T)  comprobación Ley de Curie-Weiss • Ajuste lineal 1/ ε=K(T-TC)  TC

  10. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL RESONANCIA • Muestra cilíndrica (Φx h x e) • Resonancias asociadas a cada longitud  Onda estacionaria • Longitud  nº entero de veces la longitud de onda (distintos órdenes) • Espesor • Altura (generatriz) • Circunferencia

  11. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL RESONANCIA • Resonancia  Muestra: circuito equivalente complejo

  12. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN • Curva de resonancia con un máximo y un mínimo (debido a Z) • νres,max = c/λ Encontrar las tres resonancias de primer orden • Parámetro c: Velocidad de propagación de ondas sonoras en ese material

  13. MEDIDAS Y RESULTADOS Frecuencia variable, T ambiente R = 9980 ± 10 Ω ; VE = 10,5 ± 1 V ; S = 20 ± 1 mm2 ; d = 1,0 ± 0,1 mm Rm =10670 ± 130 Ω r = 0,941 Cm = 229 ± 5 pF r = 0,9996 εr = 1290 ± 70 Rm = 10440 ± 50 Ω Cm = 204 ± 2 pF εr = 1150 ± 60 r = 0,99995

  14. VE,ef = 7,1 ± 0,4 V f = 115,0 ± 0,1 Hz S = 20 ± 1 mm2 MEDIDAS Y RESULTADOS Frecuencia fija, T variable

  15. VE,ef = 7,1 ± 0,4 V f = 115,0 ± 0,1 Hz S = 20 ± 1 mm2 MEDIDAS Y RESULTADOS Frecuencia fija, T variable

  16. VE,ef = 7,1 ± 0,4 V f = 115,0 ± 0,1 Hz S = 20 ± 1 mm2 MEDIDAS Y RESULTADOS Frecuencia fija, T variable TC = 494 ± 3 K r = 0,999

  17. MEDIDAS Y RESULTADOS Muestra cilíndrica, resonancias Φ=5,0 ± 0,1 cm λ1 = πΦ = 0,157 ± 0,003m CIRCUNFERENCIA ωmax1 = 143.400 ± 600 s-1 ωmin1 = 150.100 ± 600 s-1 Vs1 = 3.590 ± 70 m/s

  18. MEDIDAS Y RESULTADOS Muestra cilíndrica, resonancias h=1,0 ± 0,1 cm = L λ2 = 2h = 0,020 ± 0,002 cm ALTURA ωmax2 = 1.151.700 ± 600 s-1 ωmin2 = 1.240.900 ± 600 s-1 Vs2 = 3.700 ± 400 m/s Vs1 = 3.590 ± 70 m/s

  19. MEDIDAS Y RESULTADOS Muestra cilíndrica, resonancias Vs = 3.660 ± 10 m/s Vs1 = 3.590 ± 70 m/s Vs2 = 3.700 ± 400 m/s

  20. CONCLUSIONES • Caracterización de la muestra • Constante dieléctrica, Rm, Cm • Precisión • Ferroeléctrico  ε alta • Ley de Curie-Weiss • Determinación Temperatura de Curie • Muestra cilíndrica • Curvas de resonancia • Velocidad de propagación de ondas sonoras Rm = 10440 ± 50 Ω Cm = 204 ± 2 pF εr = 1150 ± 60 r = 0,99995 TC = 494 ± 3 K Vs = 3.660 ± 10 m/s

  21. CONCLUSIONES FUENTES DE ERROR • Caracterización de la muestra • Imposibilidad de comparar con valores tabulados (aunque sí el orden) • Ley de Curie-Weiss • No estabilización de T  oscilación valores VS(sobre todo en Tc) • Limitación de tiempo • Limitación T (estaño se funde)  Contactos • Desarrollo teórico no aplica en T=Tc no hay singularidad • Intervalo de temperaturas inadecuado • Muestra cilíndrica • ¿Error en la medida de dimensiones? • Curvas difíciles de medir (osciloscopio), ruido • Pocas medidas  difícil distinguir tercera curva de resonancia entre las de orden superior de las dos restantes • Ruido externo (efecto piezoeléctrico)

  22. BIBLIOGRAFÍA • Charles Kittel, Introducción a la Física del Estado Sólido, 3ª Edición, Reverte 1993 • Guión de Laboratorio de Física de Estado Sólido, 2010 – UVEG • Transparencias de la asignatura Física de Estado Sólido, Alfredo Segura, 2010 - UVEG

  23. MATERIALES FERROELÉCTRICOS Fernando Hueso González – BL2 ferhue#alumni.uv.es 4º de Grado de Física – UVEG

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