Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

НА ПРИМЕРЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы: теоретическое знакомство с явлением поляризации диэлектриков, типами поляризации, основными свойствами сегнетоэлектриков; экспериментальное определение основных параметров сегнетоэлектриков по петле гистерезиса.

Оборудование: сегнетоэлектрический конденсатор, эталонный конденсатор, потенциометр, вольтметр, нагревательный элемент, электронный термометр (все элементы входят в состав лабораторного стенда), осциллограф.

Краткие теоретические сведения

Диэлектриками называют материалы, в которых нет свободных электрических зарядов, поэтому они не могут проводить электрический ток. К диэлектрикам относятся воздух, слюда, фарфор, сухое дерево, дистиллированная вода и т.д. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле(рис.2.1) происходитполяризация, т. е. смещение зарядов, входящих в состав молекул, в соответствии с их знаком (положительные заряды смещаются в направлении вектора электрического поля, отрицательные – в противоположном). В результате на поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, неспособные свободно перемещаться по диэлектрику. Вектор напряженности электрического поля, создаваемого связанными зарядами на поверхности диэлектрика, направлен внутрь диэлектрика противоположно вектору напряженности внешнего поля, вызывающего поляризацию.

Напряженность поля внутри диэлектрика, по принципу суперпозиции, равна

. (2.1)

Учитывая направления векторов и, можно записать это выражение в скалярном виде:

. (2.2)

Физическая величина, равная отношению модуля вектора напряженности однородного электрического поля в вакууме к модулю вектора напряженности электрического поля в диэлектрике, называетсядиэлектрической проницаемостью вещества  :

. (2.3)

К примеру, для стекла  = 5, для слюды = 3, для воды = 81 и т.д. Таким образом, значение диэлектрической проницаемости среды показывает, во сколько раз в данной среде ослабляется внешнее поле.

Виды поляризации диэлектриков

1. Электронная поляризация

Многие диэлектрики (H₂, O₂, N₂и др.). состоят из неполярных атомов или молекул. Внутримолекулярные заряды в них расположены таким образом, что «центр тяжести» положительного ядра совпадает с «центром тяжести» отрицательного заряда электронной оболочки. В электрическом поле происходит смещение «центров тяжести» электрических зарядов в противоположные стороны, т. е. атом (молекула) становится подобным электрическому диполю. Вокруг такой молекулы будет существовать электрическое поле, совпадающее с полем диполя, отрицательный заряд которого равен суммарному заряду электронных оболочек, а положительный заряд – суммарному положительному заряду ядер, входящих в состав молекулы. Рассмотренный механизм электронной поляризации является универсальным, поскольку смещение электронных оболочек происходит в атомах, молекулах или ионах любого диэлектрика.

2. Ионная поляризация

Кристаллические решетки многих ионных диэлектриков типа NaCl,KClи т. д. можно рассматривать как состоящие из двух подрешеток, каждая их которых образована ионами одного знака, вставленных одна в другую. В отсутствие внешнего электрического поля каждая элементарная ячейка и кристалл в целом нейтральны и неполярны. Во внешнем поле происходит смещение ионов подрешеток в противоположных направлениях. Вследствие этого на противоположных гранях кристалла будут преобладать заряды разного знака, т.е. кристалл поляризуется. Такой механизм поляризации называют ионным.