Приборы и обарудование

1. ФПЭ – 02 – модуль.

2. PV – цифровой вольтметр.

3. РО – осциллограф

На рис. 2.6 приведена структурная схема, а на рис. 2.7 – принципиальная электрическая схема, с помощью которой изучаются свойства сегнетоэлектриков.

Рис. 2.6

Схема, изображенная на рис. 2.7, собранная в модуле ФПЭ – 02.

На передней панели модуля имеются:

1. ручка “Рег U” потенциометра R;

2. гнезда “PV” – для подключения вольтметра;

3. гнезда “PO” (“Y”,”X”,””) – для подключения осциллографа.

От источника питания на схему поступает напряжение сети 220 В, 50 Гц

Напряжение, снимаемое со вторичной цепи понижающего трансформатора Т (220/100), через потенциометр R₃ подается на делитель напряжения, состоящий из сопротивлений R₁ и R₂. Параллельно делителю R₁ и R₂ включены последовательно два конденсатора, образующие емкостной делитель: исследуемый керамический сегнетоэлектрический конденсатор C₁ и эталонный конденсатор C₂. Вольтметр PV обеспечивает измерение величины напряжения, подаваемого на делители R₁, R₂ и С₁, С_2.

Осциллограф РС служит для наблюдения и изучения поляризации сегнетоэлектрического конденсатора С₁ при подаче на него переменного гармонического напряжения.

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

На вертикально отклоняющиеся пластины осциллографа подается напряжение U_Y c эталонного конденсатора

(2.13)

Так как С₁и С₂ соединены последовательно, то они имеют одинаковый заряд q на обкладках. Величина этого заряда может быть выражена через электрическое смещение D поля в исследуемом конденсаторе C₁:

,

отсюда

q=DS, (2.14)

где  - поверхностная плотность заряда на обкладках конденсатора С₁; - площадь, d – диаметр обкладок конденсатора С₁.

С учетом (2.14) напряжение

(2.15)

На горизонтально отклоняющиеся пластины подается напряжение U_x, снимаемое сопротивления R₂:

(2.16)

Это напряжение, как видим, составляет часть полного напряже­ния U, подаваемого) на делитель напряжения R₁, R₂ , а значит, и на емкостной делитель С_1,С₂. Емкости С₁ и C₂ подобраны таким образом, что С₁ << C₂. Поэтому с достаточной степенью точности( ) можно считать, что практически все напряжение U, снимае­мое с потенциометра R₃ , на емкостном делителе приложено к сегнетоэлектрическому конденсатору C₁ . Действительно, так как . то U=U_c1+U_c2=U_c1. Тогда, пологая электри­ческое поле внутри конденсатора С₁ однородным, имеем

U=Eh, (2.17)

где Е - напряженность электрического поля в пластине сегнетоэлектрика; h - толщина пластины сегнетоэлектрика.

С учетом (2.17) напряжение U_x можно представить в виде

(2.18)

Таким образом, в данной электрической схеме на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины осциллографа одновременно по­даются периодически изменяющееся напряжения, пропорциональные, соответственно, электрическому смешению D и напряженности поля Е в исследуемом сегнетоэлектрике, в результате чего на экране осцил­лографа получается петля гистерезиса (см. рис. 2.3).

Выражения (2.15),(2.17) и (2.I8) позволяют найти смещение D и напряженность Е -электрического поля в сегнетоэлектрике, если предварительно определены величины U_y, U_x и U. Напряжение U определяется по показании вольтметра PV. Напряжения U_y и U_x измеряются с помощью осциллографа и рассчитываются по формулам:

U_y=K_y y; (2.19)

U_x=K_x X, (2.20)

где y, x – отклонения электронного луча на экране осциллографа по осям Y и X соответственно; K_y, K_x – коэффициент отклонения каналов Y и X осциллографа.

Учитывая (2.19) и (2.20.), из выражений (2.15) и (2.16) получим:

; (2.21)

, (2.22)

Кроме того, из выражения (2.17) следует

, (2.23)

где U – эффективное значение напряжения, измеряемое вольтметром PV.

Для напряженности поля получили две формулы. Формула (2.22) используется для определения текущего, а формула (2.23) – определения амплитудного значения напряженности поля в сегнетоэлектрике.

Применим полученные соотношения для нахождения тангенса угла диэлектрических потерь в сегнетоэлектрике и исследования зависимости =(Е).

Подставляя в (2.12) выражения (2.21) и (2.22), имеем

, (2.24)

где S_n – площадь петли гистерезиса в координатах X, y; X_0, y₀ – координаты вершины петли гистерезиса.

Для измерения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика  используем тот факт, что основная кривая поляризации (кривая ОАВ на рис. 2.3) является геометрическим местом точек вершин циклов переполяризации, полученных при различных максимальных значениях Е₀ напряженности поля в образце. Для каждой ее точки можем записать соотношение (2.5) в виде D₀=₀E_0, где D_0, E₀ – координаты вершин циклов переполяризации. Тогда, определив с помощью формул (2.21) и (2.23) значения D₀ и Е₀ вершин нескольких циклов, можно из (2.5) найти значения  при различных значениях Е₀ согласно выражению

(2.25)

и изучить зависимость =(Е).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с описанием приборов, используемых в данной установке.

ПОДГОТОВКА УСТАНОВИТ К РАБОТЕ

1. Установить ручку "Per U” на панелях модуля ФПЭ-О2 в среднее положение.

2. Установить органы управления на панелях осциллографа РО в положение, обеспечивающее наблюдение фигур Лиссажу, измерение вели­чины переменного напряжения и исследование зависимости между двумя внешними сигналами.

3. Подготовить к работе вольтметр РV.

4. Собрать схему согласно рис. 2.6.

3. После проверки схемы преподавателем или лаборантом присое­динять все приборы к сети ~ 220 В, 50 Гц и включить тумблеры "Сеть" на панелях всех приборов. На экране осциллографа должна появиться петля гистерезиса.

6. Установить петлю гистерезиса в центральную часть экрана осциллографа.