Изучение зависимости диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры (Лабораторная работа № 10)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 10

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ

ТИТАНАТА БАРИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: экспериментальное исследование температурных свойств и определение точки Кюри сегнетоэлектриков на примере титаната бария.

Приборы и принадлежности: измеритель емкости Е12-1А, электрическая печь для нагрева образца, термопара, милливольтметр, образец титаната бария.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Сегнетоэлектриками называют  полярные  диэлектрики,  которые обладают поляризованностью даже при отсутствии внешнего  электрического поля (спонтанно поляризованы). Спонтанная (или самопроизвольная) поляризованность этих диэлектриков сохраняется в определенном интервале температур. Примерами сегнетоэлектриков  являются сегнетова соль NaKC₄H₄×4H₂O, давшая название этому  классу веществ, титаната  бария  ВаТiО₃, триглицинсульфат (NН₂ СН₂ СООН)×3Н₂ SО₄   и др.

     Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков  рядом особенностей:

     1. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков очень велика ( ~10⁴ ), в то время как у  большинства  обычных  диэлектриков диэлектрическая проницаемость составляет несколько единиц.

     2. Зависимость поляризованности от напряженности поля не является линейной, т.е. диэлектрическая проницаемость  сегнетоэлектрика зависит от напряженности поля.

     3. Всем сегнетоэлектрикам свойственен гистерезис,  представляющий собой неоднозначную зависимость поляризованности от напряженности поля.

     4. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от  температуры. При температуре, превышающей определенное значение, различное для различных веществ,  сегнетоэлектрические  свойства  исчезают и сегнетоэлектрик превращается  в  обычный  диэлектрик.  Эта температура называется точкой Кюри, а закон, по которому при этом убывает диэлектрическая проницаемость – законом Кюри-Вейса:

                                                                          (10.1)

где     - некоторая постоянная;

           - температура Кюри;

          - температура, до которой нагрет образец;

          - диэлектрическая проницаемость.

Некоторые образцы имеют также нижнюю точку Кюри , и их сегнетоэлектрические свойства проявляются только в интервале  температур                   <<..

          Свойства сегнетоэлектриков  объясняются  следующим  образом. Вследствие особенно сильного взаимодействия частиц,  объем  кристалла сегнетоэлектрика подразделяется на отдельные области -  домены, которые являются областями спонтанной поляризации. В обычном состоянии сегнетоэлектрик представляет собой как бы мозаику из доменов, причем в пределах каждого домена имеется свое направление спонтанной поляризации, тогда как в смежных областях эти направления различны, так что электрический момент кристалла равен нулю. Под действием внешнего электрического поля в доменах происходит изменение направления поляризации, вследствие чего сегнетоэлектрик приобретает электрический момент по  направлению линий напряженности поля. Возникшее при этом суммарное  внутреннее электрическое поле доменов будет поддерживать  их  некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля.

Описание установки.

          Температурные свойства сегнетоэлектриков можно экспериментально изучить с помощью установки, схема которой показана на рисунке 10.1.

Рис. 10.1.

Образец, закрепленный в измерительной ячейке, помещается в  печь. Изменение температуры при нагревании образца контролируется с помощью термопары, подсоединенной к  милливольтметру  (градуированный график прилагается). Измерение емкости образца производится с помощью высокочастотного прибора типа Е12-1А резонансным  методом с индикацией резонанса по нулевым биениям. Прибор состоит из двух высокочастотных  генераторов,  собранных  по  одинаковой    схеме (рис.10.2). В колебательный контур  первого  генератора,  обладающий индуктивностью и емкостью _,      включен эталонный  конденсатор переменной емкости . В контур второго генератора, характеризуемый величинами и   , включается измеряемая емкость. Колебания  высокой частоты обоих генераторов подаются на смеситель.