Исследование свойств сегнетоэлектриков. Цель работы - экспериментальная проверка основных теоретических положений, определяющих физические процессы в сегнетоэлектриках при их периодической переполяризации приобретение практических навыков в построении основной кривой поляризации D E и определении потерь в сегнетоэлектрике. 1. Краткие сведения из теорииСегнетоэлектриками называют кристаллические диэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых достигает больших значений порядка 104 105 и зависит от напряженности электрического поля, температуры и предварительной поляризации. При поляризации любого диэлектрика, где - вектор электрического смещения вектор напряженности внешнего электрического поля поляризованность диэлектрика, которая представляет собой электрический момент единицы его объема, o - электрическая постоянная.
Поляризованность вещества пропорциональна напряженности электрического поля где - абсолютная диэлектрическая восприимчивость вещества.
В силу этого. Параметр 6.1 носит название абсолютная диэлектрическая проницаемость и характеризует способность диэлектрика к поляризации.
Относительная диэлектрическая проницаемость определяется выражением . 6.2 Сегнетоэлектрики обладают самопроизвольной спонтанной поляризацией, связанной с наличием в структуре материала микроскопических областей - доменов, внутри которых диэлектрик поляризован до насыщения.
Отдельные домены имеют различные направления электрических моментов. Результирующий электрический момент при этом равен нулю. Если сегнетоэлектрик подвергнуть воздействию внешнего электрического поля, домены ориентируются по полю, и он оказывается поляризованным во всем объеме. Вследствие доменной структуры поляризованность и диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает огромных по сравнению с линейными диэлектриками значений.
Процесс поляризации сегнетоэлектриков во внешнем электрическом поле имеет две основные стадии. На первой стадии происходит смещение границ и рост тех доменов, ориентация векторов поляризации которых наиболее близка к ориентации внешнего поля. На второй - вращение векторов поляризации доменов и их установка параллельно направлению поля. В сильных полях число доменов, не сориентированных по полю, уменьшается, что приводит к постепенному замедлению поляризации - насыщение сегнетоэлектрика.
При циклическом изменении напряженности поля в сегнетоэлектрике наблюдается явление диэлектрического гистерезиса, состоящее в фазовом запаздывании электрического смещения относительно напряженности внешнего поля рис.6.1 . Кривая, соединяющая вершины гистерезисных циклов поляризации называется основной кривой поляризации. На рис. 6.2 приведены типовые графики основной кривой поляризации и зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля. При определенной напряженности Еа, которая соответствует касательной 0а, проведенной из начала координат к кривой D f E , диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения.
Переполяризация сегнетоэлектрика связана с достаточно большими затратами энергии. Электрическая мощность, затрачиваемая за один цикл, пропорциональна площади гистерезисной диаграммы SDE и объему сегнетоэлектрика V. При периодической переполяризации мощность пропорциональна частоте f. 6.3 где MD, ME - масштабы осей в координатах смещение-напряженность , MQ, MU - масштабы осей в координатах заряд-напряжение. В качестве оценки диэлектрических потерь часто применяют тангенс угла диэлектрических потерь, который может быть определен из выражения для активной мощности, потребляемой конденсатором.
При параллельной схеме замещения конденсатора. Отсюда 6.4 Поляризация сегнетоэлектриков в сильной степени зависит от температуры. У большинства сегнетоэлектриков гистерезис и нелинейность кулон-вольтной характеристики проявляются при всех температурах вплоть до некоторой предельной, которая соответствует максимуму диэлектрической проницаемости и называется точкой Кюри. Выше этой температуры происходит обратимое изменение структуры материала разрушение доменов и исчезновение сегнетоэлектрических свойств.
Диэлектрическая проницаемость при этом резко уменьшается рис. 6.3 . сегнетоэлектрическими свойствами обладают сегнетова соль, титанат бария, титанат и ниобат лития и др. Сегнетоэлектрики применяются в электрических конденсаторах большой емкости, нелинейных конденсаторах вариконды, в пьезоэлектрических излучателях и приемниках звука и ультразвука, в качестве нелинейных элементов в оптических системах, электронике и вычислительной технике и т.д. 2. Описание экспериментальной установкиСхема осциллографического исследования сегнетоэлектриков показана на рис. 6.4. Установка питается от сети переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на входе измерительной цепи регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора ЛАТРа. Емкость исследуемого плоского сегнетоэлектрического конденсатора Сx, значительно меньше на один-два порядка емкости образцового конденсатора Со1. Поэтому, когда конденсатор Сx подключен переключатель П в положении 1 , заряд в измерительной цепи, т. е. полностью определяется свойствами нелинейного конденсатора, и напряжение Uо1, подаваемое на вертикальные пластины электронного осциллографа ЭО , пропорционально заряду Qx. На горизонтальные пластины осциллографа через делитель Rl - R2 подается часть общего напряжения U Ux. Погрешность будет тем меньше, чем больше отношение емкостей Cо1 и Сx. В результате на экране осциллографа будет наблюдаться гистерезисная диаграмма поляризации Q U . Положение 2 переключателя П, когда подключается емкость Со2 Со1 , служит для определения масштабов осциллографа по осям x и у. 3. Порядок выполнения работы3.1 Снятие основной кривой поляризации и определение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика.
Собрать измерительную цепь в соответствии со схемой на рис. 6.4. Перевести переключатель П в положение 1 . Установить на входе цепи напряжение 120 В. На экране осциллографа должна наблюдаться гистерезисная диаграмма поляризации сегнетоэлектрика.
Подобрать масштаб по вертикальной оси осциллографа так, чтобы изображение занимало весь экран.
Внимание в процессе выполнения последующих пунктов лабораторной работы не допускается изменять положение масштабного переключателя осциллографа.
Измерить и записать в табл. 6.2 координаты вершины гистерезисного цикла xm, ym координаты вершины можно определить как половину размаха изображения по горизонтальной и вертикальной осям экрана. Повторить измерения, изменяя входное напряжение как показано в табл.6.2. Таблица 6.2 h мм, d мм, S d 2 4 м2. Опыт Расчет U xm yт Um Qm Dm Ет o В мм мм В мкКл Кл м2 кВ м мкФ м - 120 100 80 60 40 20 При расчете использовать формулы, где h, S - соответственно толщина и площадь слоя сегнетоэлектрика. 3.2 Определение масштабов по осям экрана осциллографа.
Переключатель П установить в положение 2 . Вращением регулировочной рукоятки ЛАТРа, установить на входе цепи напряжение в пределах 40 60 В. На экране осциллографа должна наблюдаться наклонная прямая линия, представляющая кулон-вольтную характеристику Q U линейного диэлектрика конденсатора Со2. Занести в табл. 6.1 значения напряжения U и размаха колебаний луча осциллографа по горизонтали - х и вертикали - у. Таблица 6.1 Измерение Расчет Примечание U, В х, мм у, мм MU, В мм MQ, Кл м Со1 мкФ, Со2 мкФ Масштабы по осям координат определяются по следующим формулам 6.5 3.3 Определение потерь в сегнетоэлектрике при комнатной температуре.
Устанавливая поочередно на входе цепи напряжение 60, 80, 120 В зарисовать на кальку осциллограммы петли гистерезиса.
В табл. 6.3 занести координаты вершин гистерезисных циклов. Таблица 6.3 Измерения Расчет U xm ym SQU Um Qm Pг tg В мм мм мм2 В мкКл мВт - 60 80 120 4. Оформление отчета1. Привести схему экспериментальной установки, данные измерительных приборов и исследуемого элемента. 2. Оформить таблицы с результатами измерений и вычислений.
При вычислении Um и Qm использовать координаты вершин осциллограмм гистерезисного цикла с учетом масштабов по осям осциллографа табл. 6.1 . Площадь гистерезисного цикла SQU табл. 6.3 определяется непосредственно по осциллограммам путем подсчета числа квадратных миллиметров по миллиметровой бумаге, укладывающихся внутри петли. 3. По данным табл. 6.2 построить основную кривую поляризации D E и график зависимости относительной диэлектрической поляризации от напряженности электрического поля r Е . 4. Привести осциллограммы гистерезисных циклов для трех значений напряжения на сегнетоэлектрическом конденсаторе. 5. Дать краткие выводы по работе.
Контрольные вопросы1. Что называют сегнетоэлектриками? Какие материалы обладают сегнетоэлектрическими свойствами? 2. Что такое диэлектрическая проницаемость, как ее можно практически определить? 3. Почему диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков значительно превышает проницаемость обычных диэлектриков и зависит от напряженности внешнего электрического поля? 4. В чем причина возникновения гистерезиса при поляризации сегнетоэлектриков? 5. Как происходит процесс поляризации сегнетоэлектриков? 6. Почему вольтамперная характеристика сегнетоэлектрических конденсаторов нелинейна? 7. Какими параметрами характеризуют потери мощности в диэлектриках? 8. Как и почему зависит диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков от температуры? 9. Как получить на экране осциллографа кулон-вольтную характеристику? 10. Назовите области применения сегнетоэлектриков. Работа 7.