Изучение физических явлений в сегнетоэлектрических материалах

Тема №3

Модернизация стендов к дисциплине “Материаловедение. ТКМ”

Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Цель работы: Исследование влияния напряжения и температуры на электрические свойства сегнетоэлектриков и определение диэлектрических потерь

в сегнетоэлектриках.

Теоретические положения

      Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Для этого вида диэлектриков характерно наличие в микроструктуре областей, имеющих электрический момент, не равный нулю и называемый доменом. Величина этого момента высока по сравнению с другими видами поляризации. Если сегнетоэлектрик не находится в электрическом поле, то его электрический момент равен нулю. Под действием внешнего электрического поля происходит движение границ, ориентация доменов в направлении электрического поля и появляется электрический момент у всего образца в целом. При этом значительная часть энергии электрического поля расходуется на преодоление энергетических барьеров, создаваемых граничными областями, вследствие чего у вещества со спонтанной поляризацией относительно велики диэлектрические потери.

      В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от напряженности поля Е (рис. 2.1. участок ОА).

Рис. 2.1. Петля гистерезиса сегнетоэлектрика

     При некоторой напряженности, соответствующей точке В, все домены ориентированы в направлении электрического поля, то есть достигается состояние насыщения.

      Кривую ОАВС называют начальной кривой заряда. Если после установления максимальной напряженности электрического поля уменьшить его величину, то поляризация будет изменяться по кривой СД. При напряженности поля, равной нулю, сегнетоэлектрик остается поляризованным. Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля приводит к повторению аналогичных изменений в отрицательной области. Таким образом, зависимость поляризации от напряженности электрического поля описывается кривой СДFLHG, называемой петлей гистерезиса. 

      Поведение сегнетоэлектрика в электрическом поле можно охарактеризовать следующими параметрами:

1.  Статическая емкость:

C_ст = ,

где  Q_а – амплитудное значение заряда; U_а – амплитуда напряжения.

2.  Остаточный заряд Q_r, определенный при уменьшении внешнего электрического поля от максимального значения до нулевого.

3.  Коэрцитивная сила E_r, определяемая как величина напряженности электрического поля в момент равенства нулю заряда конденсатора.

4.  Потери энергии на поляризацию образца, определяемые с помощью петли гистерезиса, поскольку площадь петли в координатах заряд-напряжение пропорциональна энергии.

      Свойства сегнетоэлектриков исследуются на установке, фотография которой приведена на рис. 2.2 , а принципиальная схема − на рис. 2.3.

Рис. 2.2. Установка для исследования сегнетоэлектриков

     Установка состоит (рис. 2.3) из электронного осциллографа С1-1 (ЭО), автотрансформатора (АТ_р), двух цифровых приборов (DT-830B и М-838) и блока, содержащего сегнетоэлектрик (Сх).

Подготовка осциллографа С1-1 к работе

     1. У осциллографа С1-1 используются оба входа. Навходы «Y- земля» подаются два провода с верхней панели блока с клемм «Y- земля». Навходы «Х- земля» подаются два провода с обратной  панели блока. Потенциометры усиления по осям Xи Y следует поставить в среднее положение. Переключатель «Ослабление» должен стоять в положении «1:10».

     2. Синхронизация в лабораторной работе не используется, поэтому ручки «Амплитуда синхронизации» и  «Синхронизация» могут находиться в любом положении.

     3. Переключатель «Диапазон частот» должен стоять в положении «Выкл», а потенциометр «Частота плавно» – произвольно.

Рис. 2.3. Принципиальная схема установки:

АТ_р – автотрансформатор; V – вольтметр; R и R_o – сопротивления; ЭО – электронный осциллограф; С_o, С₀₁ – образцовые конденсаторы; С_х – испытуемый конденсатор; П1, П2, П3 – переключатели

Порядок проведения работы

     1. Ознакомиться с устройством (рис. 2.2) и схемой установки (рис. 2.3).

     2. Определить масштаб вертикального  отклонения:

         а) включить осциллограф, дать ему прогреться 5 минут;

 б) переключателем П1 замкнуть накоротко горизонтальный вход усилителя осциллографа;

в) переключатель П3 поставить в положение С₀₁;

г) цифровой прибор DT-830B поставить в положение «V~»;

д) с помощью автотрансформатора установить напряжение на испытуемом конденсаторе, равным 150 В (по прибору DT-830B);

е) ручка «Ослабление» на осциллографе должна стоять в положение «1:10»;

ж) ручкой плавной регулировки усиления вертикального отклонения развернуть изображение так, чтобы отклонение луча от центра экрана составляло 5 мм. При этом масштаб по вертикали определится как

q =  = ,   ,

где  q – масштаб по вертикали,  ;

      U – показание вольтметра при градуировке (по прибору DT-830B), В;

      С₀₁, С_о – образцовые конденсаторы (С₀₁= 5100 пФ, С_о = 2 мкФ );

      y  – вертикальное отклонение луча при градуировке, мм.

     Результаты измерений занести в табл. 2.1.

     3. Определить масштаб горизонтального отклонения:

         а) переключатель П1 разомкнуть, переключатель П2 замкнуть, тогда вертикальный вход усилителя осциллографа замкнут накоротко;

         б)  ручкой  «Усиление» горизонтального входа осциллографа развернуть изображение так, чтобы отклонение луча от центра экрана составляло 35 мм. Тогда горизонтальный масштаб можно выразить формулой