2. Описание экспериментальной установки

2.1. Приборы и принадлежности

Кассета ФПЭ-02, источник питания ИП, электронный осциллограф С1-117/1, цифровой универсальный вольтметр В7-40, кабели и соединительные провода.

В настоящей работе в качестве диэлектрика исследуется вариконд – сегнетоэлектри-ческий конденсатор с резко выраженными нелинейными свойствами, обладающий большой емкостью, малыми размерами, ограниченным диапазоном рабочих частот и температур, а также высоким значением диэлектрических потерь. Вариконд - сегнетоэлектрический конденсатор находится в составе кассеты ФПЭ-02.

2.2. Описание установки и метода измерений

Исследование процесса поляризации сегнетоэлектрика производится с помощью схемы, представленной на рис.7 . От источника питания ИП на вход кассеты ФПЭ-02 с помощью специального кабеля поступает постоянное и переменное напряжение. С выходных клемм кассеты «PV» переменное напряжение через соединительные провода подается на цифровой вольтметр (входU–O). С выходных клемм кассеты «PQ» переменное напряжение подается с помощью соединительных кабелей на выход осциллографа. С клеммы «X» напряжение подводится на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа (канал А). С клеммы «Y» напряжение поступает на вертикально отклоняющие пластины осциллографа (канал Б).

Осциллограф

канал Б канал А 

Вольтметр

 U

Кассета ФПЭ-02

кабель

провод

PV

Y

X



кабель

провод

источник

питания

кабель

Рис.7. Общая электрическая схема лабораторной установки

Принципиальная схема кассеты ФПЭ-02 приведена на рис.8.

C ₁

R ₁

R ₃

Y

PQ

~ 100 В

C ₂

X

R ₂

Регулятор

напряжения

U



PV

Рис.8. Принципиальная схема кассеты ФПЭ-02

Переменное напряжение частотой 50 Гц от источника питания подается на делитель напряжения кассеты, состоящий из двух сопротивлений R₁иR₂(рис.8). Это напряжение измеряется цифровым вольтметром на выходных клеммах кассеты «PV». Параллельно делителю включены две последовательно соединенные емкости: исследуемый сегнетоэлектрический конденсаторC₁и эталонный конденсаторC₂. Величина подаваемого напряжения регулируется переменным резисторомR₃. Подача переменного напряжения в электрическую цепь дает возможность наблюдения поляризованности сегнетоэлектрического конденсатора - диэлектрического гистерезиса.

Для получения симметричной петли гистерезиса в исследуемую электрическую цепь подается постоянная составляющая напряжения более 40 В, величину которой можно регулировать с помощью ручки плавной регулировки, расположенной на панели источника питания (ручка «12В-120В»). Для наблюдения поляризации сегнетоэлектрического конденсатора C₁при подаче на него переменного напряжения служит электронный осциллограф.

На вертикально отклоняющие пластины осциллографа (канал Б) подается напряжение U₂с эталонного конденсатораC₂:

(9)

где Q- заряд на конденсаторе,C₂- емкость эталонного конденсатора.

Поскольку конденсаторы C₁иC₂соединены последовательно, то они имеют на обкладках одинаковый зарядQ, величину которого можно выразить через поляризованностьPисследуемого конденсатора следующим образом

(10)

где  -поверхностная плотность заряда на обкладках исследуемого

сегнетоэлектрического конденсатора C₁,

S- площадь обкладок этого конденсатора.

С учетом (10) напряжение U₂будет равно

. (11)

Следовательно, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа напряжение U₂пропорционально поляризованностиPв сегнетоэлектрике.

Учитывая формулу (11), получим выражение для поляризованности P:

(12)

На горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается переменное напряжение U₁ , приложенное к сегнетоконденсатору.

Из электрической схемы рис 8. видно, что

, (13)

где U- переменное напряжение в цепи питания кассеты ФПЭ-02.

Напряжение Uподается также на емкостной делительC₁C_2. В схемеC₁ << C₂ , поэтому можно считать, что практически все напряжениеUприложено к сегнетоэлектрическому конденсаторуC₁.

Напряжение Uможно выразить через напряженностьEвнешнего электрического поля в сегнетоэлектрике и его толщинуd :

. (14)

Таким образом:

(15)

Следовательно, на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное напряженности Eвнешнего электрического поля.

Из соотношения (15) получаем формулу для напряженности внешнего электрического поля:

(16)

3. Порядок выполнения работы