5. Контрольные вопросы

1. Цель и порядок выполнения работы, измерительная установка.

2. Какова природа абсорбционных токов и токов сквозной проводи-мости?

3. Понятие объемной и поверхностной проводимостей, объемного и поверхностного сопротивлений. В каких единицах они измеряются? Каков порядок этих величин для диэлектриков?

4. Электропроводность твердых диэлектриков. Зависимость от температуры и наличия примесей.

5. Как влияют строение молекул диэлектриков и состояние его поверхности на величину поверхностного сопротивления?

6. Определить удельное объемное сопротивление диэлектрика плоского конденсатора, если ток через него при постоянном напряжении 5 кВ равен 10^-7А. Толщина диэлектрика 0.3 мм. Площадь обкладок 20 см². Поверхностной утечкой пренебречь.

7. Определить поверхностное сопротивление диэлектрика плоского конденсатора толщиной 5 мм, если при постоянном напряжении на нем 1.5 кВ, общий ток через диэлектрик составляет 4 нА. Площадь электродов конденсатора 10х10 мм², а удельное объемное сопротивление 3*10¹¹ Ом•м.

8. Предполагая температурную зависимость проводимости диэлектрика вида (12), определить во сколько раз изменится сопротивление диэлектрика при нагреве его от 20 ⁰С до 60⁰С. Энергию активации принять равной 1 эВ.

Лабораторная работа № 2

Исследование сегнетоэлектриков

1. Цель работы

Изучение основных электрических свойств сегнетоэлектриков и их зависимости от напряженности электрического поля.

2. Теоретическое введение

2.1. Спонтанная поляризация

Сегнетоэлектрики – диэлектрики, состоящие из областей - доменов с самопроизвольной (спонтанной) поляризацией. Направление и значение вектора спонтанной поляризации доменов может быть изменено внешним электрическим полем.

Сегнетоэлектрические домены представляют собой совокупность элементарных кристаллических ячеек, имеющих одинаковое направление вектора спонтанной поляризации, т. е. домены обладают макроскопической электрической поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля. Отдельные домены имеют различные направления электрических моментов, и, в целом, кристалл не создает вокруг себя электрического поля (рис. 8,а).

Е = 0

Е

аб

Рис. 8. Схема доменов в сегнетоэлектрике

Спонтанная поляризация существует только в определенном температурном интервале, когда сегнетоэлектрик имеет доменную структуру.

При температуре фазового перехода, называемой температурой Кюри, происходит изменение структуры кристалла, сопровождаемое возникновением (исчезновением) спонтанной поляризации. При >_Кюриисчезает электрическая асимметрия элементарной ячейки, пропадает дипольный момент и домены распадаются. В области фазового перехода резко меняются и имеют аномалии почти все свойства кристалла: электрические, оптические, механические и др.

При воздействии внешнего электрического поля электрические моменты доменов ориентируются вдоль поля, создавая наряду с электронной и ионной поляризацией еще один вид - доменную поляризацию (рис. 8 б). Эта поляризация преобладает над другими механизмами. При>_Кюридомены исчезают и в сегнетоэлектрике наблюдаются только ионная и электронная поляризации (рис. 9). Закон, описывающий поведение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры в области>_Кюри, называется законом Кюри-Вейсса и имеет вид:

ε = С/(Т – Т_КЮРИ)

где С – постоянная Кюри, характеризующая материал, Т – температура в К и Т_КЮРИ– температура Кюри, также измеренная в К. Считается, что температура фазового перехода соответствует максимуму диэлектрической проницаемости.

Рис. 9. Зависимость диэлектрической проницаемости

BaTiО₃ от температуры

Наиболее распространенным сегнетоэлектриком ионного типа (см. табл. 3)является титанат бария. На его примере рассмотрим механизм образования доменов. При температуре выше_Кюри(120^оС)имеет кубическую элементарную кристаллическую ячейку (рис. 10,а). В центре каждой ячейки расположен ион титана, в вершинах – ионы бария, а в центре граней – ионы кислорода. Каждый ион титана окружен шестью ионами кислорода. Между ионами кислорода и титана существует зазор, так как расстояние между их центрами больше суммы их радиусов (зазор оказывается равным 0.1).

Благодаря своим малым размерам ион Ti может легко смещаться от одного иона кислорода к другому. При высокой температуре интенсивности теплового движения достаточно для смещения иона Ti от одного иона кислорода к другому и нахождение Ti вблизи каждого из них равновероятно. Среднее положение центра колебаний иона Ti совпадает с центром симметрии ячейки, и средняя величина электрического момента каждой ячейки вследствие ее симметрии равна нулю (рис. 10,б).

При 120 ^оС и ниже энергия теплового колебания Ti становится недостаточной, он занимает положение с минимальной энергией, смещаясь от центра кислородного октаэдра на очень малую величину к какому-либо иону кислорода. Это нарушает симметрию расположения заряженных частиц, образующих элементарную ячейку, и возникает электрический момент (рис. 10,в).

ВаО О

b

Ti

b

O

Ва О

абв

Рис.10. Элементарная ячейка BaTiO₃: – ион бария ;

O- ион ;– ион титана

Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов Ti происходит в них согласованно, в одном направлении. Возникают домены или области, в которых величина и направление вектора спонтанной поляризации одинаковы. В соседних доменах вектор поляризации имеет различные направления, а суммарная поляризация образца равна нулю.