ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

ОТ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы – определение диэлектрической проницаемости сегнетокерамики при различных значениях напряженности поля.

Приборы и принадлежности: исследуемый сегнетокерамический конденсатор, конденсатор известной емкости, источник питания, переключатели, баллистический гальванометр.

Краткие сведения из теории

Сегнетоэлектрики – кристаллические диэлектрики, состоящие (в определённом интервале температур) из самопроизвольно поляризованных областей – доменов. В пределах каждого домена дипольные моменты всех молекул ориентированы одинаково, но в различных доменах направления векторов поляризации различны и их векторная сумма равна нулю. Число доменов, взаимная ориентация их электрических дипольных моментов зависят от симметрии кристаллов. Во внешнем электрическом поле границы доменов смещаются так, что объемы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счет других доменов. В сравнительно сильном электрическом поле сегнетоэлектрик становится однодоменным, т. е. поляризуется до насыщения.

Сегнетоэлектрики имеют следующие отличия от других диэлектриков (параэлектриков):

1)большая величина диэлектрической проницаемости ε. На-

пример, типичным представителем этого класса диэлектриков является сегнетовая соль, у которой ε = 104 ÷ 105, у титана бария

(BaTi03) ε =103 ÷ 104;

2)нелинейная зависимость поляризованности Р от напря-

женности поля Е. Из формулы P = ε0χE = ε0(ε-1)E следует, что диэлектрическая восприимчивость χ и диэлектрическая проницаемость ε сегнетоэлектриков зависят от напряженности поля. У

всех остальных диэлектриков ε и χ от Е не зависят; 3) сегнетоэлектрический гистерезис (запаздывание). Он воз-

никает при изменении величины и направления внешнего элек-

14

трического поля и заключается в неоднозначной зависимости поляризованности и других связанных с ней величин от напряженности поля. Гистерезис обусловлен затратами энергии на переориентацию доменов;

4) существование фазовых переходов при температурах, называемых точками Кюри. Фазовые переходы в сегнетоэлектриках являются структурными, они связаны с изменением симметрии кристаллической решетки. При температуре фазового перехода спонтанная поляризация исчезает и сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик (параэлектрик).

Сегнетоэлектрики используются в конденсаторах (из-за больших значений ε) как нелинейные элементы: вариконды (элементы диэлектрических усилителей, стабилизаторы тока и напряжения, элементы логических схем и элементы памяти ЭВМ), пьезоэлектрические преобразователи (излучатели и приемники звука и ультразвука).

В работе исследуется зависимость диэлектрической проницаемости сегнетокерамического диэлектрика (титанат бария с добавками) от напряженности электрического поля. Для этого измеряется заряд на обкладках сегнетоэлектрического конденсатора при различных напряжениях. В плоском конденсаторе напряженность электрического поля

где σ – поверхностная плотность заряда, q – заряд конденсатора, ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Ф/м; S – пло-

разность потенциалов на обкладках конденсатора (U) и расстояние между обкладками (h):

Заряд конденсатора определяется при помощи баллистического гальванометра (описание баллистического гальванометра

15

см. в прил. 1). Отброс «зайчика» гальванометра пропорционален электрическому заряду:

Описание экспериментальной установки

Схема установки представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1

Здесь Э – источник постоянного напряжения, R – делитель напряжения (потенциометр), V – вольтметр, С – исследуемый плоский сегнетокерамический конденсатор с круглыми обкладками, С0 − конденсатор известной емкости, Г – баллистический гальванометр, П1 и П2 – переключатели.

Порядок выполнения работы

Перед выполнением работы следует ознакомиться с расположением различных приборов, элементов установки и присоединить к ней гальванометр.

Определение баллистической постоянной гальванометра.

1.Включить в цепь с помощью переключателя П1 конденса-

тор С0.

2.Установить с помощью потенциометра R напряжение U0.

Значения С0 и U0 указаны на установке.

16

3.Зарядить конденсатор С0 (подключить с помощью переключателя П2 к источнику напряжения), а затем переключить его

вцепь гальванометра. Измерить отброс α0 «зайчика» по шкале гальванометра в делениях шкалы. Измерение α0 произвести пять раз. Результаты занести в таблицу измерений (см. табл. 3.1).

Измерение заряда сегнетоэлектрического конденсатора при различных напряжениях.

1.Включить в цепь с помощью переключателя П1 исследуемый конденсатор С.

2.Установить величину зарядного напряжения (см. табл. 3.1).

3.Зарядить, а затем быстро разрядить конденсатор С через гальванометр; измерить отброс α «зайчика» в делениях шкалы. Измерения α при каждом напряжении произвести три раза. Результаты измерений занести в таблицу (см. табл. 3.1).

4.Записать в таблицу (см. табл. 3.1) данные, указанные на

установке (электроемкость конденсатора С0 и погрешность C0 , диаметр d круглых обкладок конденсатора С и расстояние h меж-

Измерение заряда сегнетоэлектрического конденсатора при различных напряжениях

17

Обработка и анализ результатов измерений

1.Вычислить среднее значение <α0>.

2.Вычислить баллистическую постоянную гальванометра по формуле

Погрешность α0 определяется по разбросу значений α0,

U0 – по классу точности прибора.

4.Вычислить по формуле (3.2) напряженность электрического поля в конденсаторе, по формуле (3.4) заряд q и по формуле (3.5) – значения ε сегнетоэлектрика для каждого значения напряженности поля Е.

5.Построить графики зависимости q = q(U) и ε = ε(Е).

6.Проанализировать полученные результаты. Объяснить ход зависимости ε от Е.

Контрольные вопросы

1.Рассказать о поляризации диэлектриков и векторе поляризации.

2.Дать определение сегнетоэлектриков, перечислить их свойства.

3.Привести вывод формулы для емкости плоского конден-

сатора.

4.Объяснить устройство баллистического гальванометра. Как определяется баллистическая постоянная в данной работе?

Библиогр.: [2] гл. VI, § 6.4; [4] гл. V, § 50; [6] гл. II, § 23.

18