Изучение сегнетоэлектриков. Измерение параметров сегнетоэлектриков по петле диэлектрического гистерезиза (Лабораторная работа № 2)

  Лабораторная работа  № 2.

ИЗУЧЕНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

Цель  работы:  ознакомление  с основными  свойствами  сегнетоэлектриков,  измерение  параметров  сегнетоэлектриков  по  петле  диэлектрического гистерезиза.

Оборудование:  кристалл  сегнетоэлектрика,  эталонный  конденсатор,  вольтметр,  потенциометр,  понижающий  трансформатор,  нагревательный  элемент, электронный термометр (все элементы  входят в состав лабораторного стенда), осциллограф.

Краткие теоретические сведения

Любой диэлектрик в электрическом поле поляризуется. Различают три вида поляризации  диэлектрика.

Электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполярными молекулами  заключается в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит.

Ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами есть ориентация имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое  поле  и  тепловое  движение)  возникает  преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю, которая тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.

Ионная    поляризация  диэлектриков  с  ионными  кристаллическими  решетками заключается  в  смещении  подрешетки положительных ионов по полю,  а  отрицательных  -  против  поля,  приводящем  к  возникновению  дипольных  моментов.

Для  количественного описания поляризации диэлектрика пользуются вектором поляризации, определяемым суммарным дипольным моментом единицы объема диэлектрика:

    ,                                              (2.1)

где    -  cумма  дипольных  моментов  молекул  в объеме V.

Из  опыта  следует, что почти для всех диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, о которых речь пойдет ниже), вектор поляризации  Р  линейно зависит от напряженности поля Е.  Если диэлектрик изотропный, то

,                                                 (2.2)

где  c  - диэлектрическая восприимчивость вещества, e_o- электрическая постоянная.

Сегнетоэлектриками  называют вещества,  обладающие в некотором температурном интервале спонтанной ( т.е. самопроизвольной) поляризацией, причем ее направление может быть изменено внешним электрическим полем. Основным  отличительным  свойством  сегнетоэлектриков  является возможность  существования поляризации  Р  даже при отсутствии внешнего поля Е  ( у  обычных диэлектриков при  Е = 0  всегда и  Р = 0 ).

При отсутствии внешнего электрического поля весь кристалл сегнетоэлектрика  состоит  из  большого числа доменов. Домен - область кристалла, в которой вещество самопроизвольно поляризовано. Вектор спонтанной поляризации Р  имеет внутри домена определенную величину и направление (рис. 2.1). Но в разных доменах он ориентирован по-разному, и суммарный вектор  поляризации  образца  может  быть  равен нулю при отсутствии внешнего поля.

Рис. 2.1

Во  внешнем  электрическом  поле  Е  вектор поляризации  Р сегнетоэлектрика   будет  уже  отличаться  от нуля.

Все  необычные  свойства  сегнетоэлектриков   проявляются  ниже  некоторой температуры, называемой температурой Кюри (Т_c).  При  Т > Т_c  сегнетоэлектрики проявляют свойства обычного диэлектрика