Вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків (Лабораторна робота № 4)

Лабораторна робота

№4

“ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

СЕГНЕТОЕЛЕКТРИКІВ”

ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

СЕГНЕТОЕЛЕКТРИКІВ

Мета роботи.

1)  Засвоїти осцилографічний метод спостереження процесів поляризації сегнетоелектриків у змінних електричних полях;

2)  Вивчити залежність діелектричної проникливості від напруженості електричного поля.

Вступ.

Сегнетоелектрики - це кристалічні діелектрики, які в деякому інтервалі температур у макроскопічних об’ємах мають спонтанну поляризацію. Звичайно сегнетоелектрики не є однорідно поляризованими, а складаються з доменів - областей, в яких дипольні моменти молекул орієнтовані в одному напрямку. При хаотичному положенні та орієнтації доменів сумарний дипольний момент зразка дорівнює нулю.

Основні властивості сегнетоелектриків – це аномально великі значення діелектричної проникливості у (вона досягає значень 10⁴ - 10⁵) та нелінійна залежність поляризації  від напруженості електричного поля .

При внесенні сегнетоелектрика в зовнішнє електричне поле  він поляризується. Спочатку збільшення поляризації зв’язане з тим, що межі між доменами зміщуються за рахунок зменшення доменів, поляризованих проти поля, при подальшому збільшенні  - за рахунок повороту дипольних моментів доменів.

Електрична індукція  дорівнює

                                                                                                              (1)

Для звичайних діелектриків зв’язок  та P в області не дуже великих електричних полів лінійний

,                                                                                           (2)

де  - діелектрична сприйнятливість,  - діелектрична стала вакууму.

В сегнетоелектриках залежність P від суттєво нелінійна (мал. 1).

В цьому випадку вважається, що в співвідношенні (2)  - змінна величина, яка є функцією електричного поля

                                                                                 (3)

та досягає значень 10³ - 10⁴. При внесенні сегнетоелектрика в зовнішнє змінне електричне поле його доменна структура приводить до явища діелектричного гістерезису (відставання). Це явище зв’язане з тим, що при зменшенні зовнішнього електричного поля, зміна поляризації проходить не по кривій початкової поляризації , а по новій кривій , що розташовується вище (мал. 2).

Це зв’язане з тим, що поляризований стан в діелектрику зберігається й при зменшенні напруженості електричного поля  до нуля (залишкова поляризація ).

Отже, поляризація сегнетоелектрика  не визначається однозначно напруженістю електричного поля , а залежить від попереднього стану сегнетоелектрика. Для того, щоб зняти залишкову поляри-зацію, необхідно змінити напрямок зовнішнього електричного поля на протилежний. Величина напруженості електричного поля, при якій поляризація звертається в нуль, називається коерцитивною силою  (мал. 3).

Якщо сегнетоелектрик помістити в змінне електричне поле, то внаслідок гістерезису залежність буде мати вигляд замкненої кривої (мал. 3), яка називається петлею гістерезису. Аналогічний вигляд має і залежність . Це випливає з того, що при  вектор поляризації.

Тоді з співвідношення (1) отримаємо .

В лабораторній роботі вивчається залежність  для титанату барію (), який є сегнетоелектриком в діапазоні температур від  до . Тут  і  - відповідно нижня та верхня температури Кюрі. При  або  сегнетоелектрик втрачає свої властивості.

При переполяризації діелектрика в одиниці його об’єму за один період електричного поля виділяється тепло

,                                                                 (4)

що чисельно дорівнює площі, обмеженій кривою гістерезису.

Опис експериментальної установки.

Для одержання петлі гістерезису використовується установка, принципова схема якої зображена на мал. 4 ( - осцилограф).

Напруга регулюється потенціометром  і подається на подільник напруги, який складається з опорів  та  кОм. Паралельно подільнику напруги підключаються дві послідовно з’єднані ємності, сегнето-конденсатор (вариконд)  та еталонний конденсатор С_o , причому . З схеми видно, що на пластину горизонтального відхилення подається напруга  з резистора .

                                                                   (5)

Тоді горизонтальне зміщення променю пропорційне миттєвому значенню прикладеної напруги . Напруга  знімається з потенціометра  і прикладена, здебільшого, до вариконда  (тому, що ) і створює в ньому електричне поле напруженістю: