2-ая физическая лаборатория / Описания / 80 - Сегнетоэлектрики

Лабораторная работа ¹ 80

значительной своей части обусловлена поляризацией ионн ого характера. Однако, возникающая в результате ионных смещений электронная по ляризация также вносит вклад в величину полной спонтанной поляризации кристалл а.

При дальнейшем понижении температуры в кристалле наблюд ается еще два фазовых перехода при 50C è − 900 C.

Фаза, стабильная в области температур от 50C äî − 900 C имеет ромбическую структуру. Эта фаза также сегнетоэлектрическая. Элемента рная ячейка имеет вид ромбоэдра, полученного деформацией исходной кубической ячейки вдоль диагонали грани (рис.8в). Это направление и является полярной осью.

Третий фазовый переход, происходящий при − 900C, понижает симметрию кристалла до ромбоэдрической. Ромбоэдрическое искажени е состоит в деформации исходной ячейки вдоль пространственной диагонали куба, к оторая становится полярной осью кристалла (рис.8г).

В данной работе предстоит исследовать температурную зав исимость спонтанной поляризации Ps и диэлектрической проницаемости ε в тетрагональной фазе, т.е. в

области температур от 200 C äî 1500 C , и установить характер фазового перехода и температуру Кюри.

Экспериментальная установка.

Величину спонтанной поляризации сегнетоэлектрика можно определить, если известна зависимость поляризации P îò

напряженности электрического поля E. Эта зависимость имеет вид петли гистерезиса, ее

можно наблюдать на экране осциллографа. Для

этого на исследуемый кристалл, имеющий форму пластинки, наносят электроды методом вжигания серебра. Получившийся конденсатор

Cx , помещают в схему, впервые описанную

Сойером и Тауэром /рис.9/. Рис. 9. Схема для наблюдения

сегнетоэлектрических петель гистерезиса ( по Сойеру и Тауэру).

Схема питается от источника переменного напряжения, кото рое подается на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа. Если Cý >> Cx , то практически все напряжение падает на Cx и отклонение луча /по горизонтали/ на экране будет пропорционально величине приложенного к кристаллу поля . НапряжениеUý ñ

эталонного конденсатора Cý подается на вертикально отклоняющие пластины. Поскольку конденсатор Cý соединен последовательно с кристаллом Cx è Cý >> Cx , то напряжение на Cý пропорционально току в цепи, который, в свою очередь,

пропорционален Cx . Емкость же конденсатора Cx определяется лишь

диэлектрической восприимчивостью вещества, заключенног о между обкладками конденсатора. Действительно, заряды на конденсаторах оди наковы, следовательно:

Лабораторная работа ¹ 80

восприимчивость x = EP . Однако следует иметь в виду, что кристалл BaTiO3 обладает

и некоторой проводимостью. Наличие этой проводимости приводит к дополнительному сдвигу фазы между напряжением и током и к искажению петли гистерезиса, наблюдаемой на экране осциллографа. Для компенсации

фазового сдвига параллельно Cý

включается сопротивление Rý . Åãî

величину нужно отрегулировать так, чтобы на концах петли гистерезиса не было затупления или петелек (рис.10).

В работе предусмотрено

нагревание образца до 140 −1500C. Это позволяет получить температурную зависимость этих величин, определить характер фазового п ерехода и температуру Кюри (а для сегнетоэлектриков, которые имеют фазовый переход I - ого рода и температуру Кюри-Вейсса).

Задание к работе.

1.Исследование BaTiO3 при комнатной температуре:

а) измерение полной поляризации образца P, спонтанной Ps , остаточной Pîñò , индуцированной Pi для 2-х - 3-х значений поля E(ðèñ.11).

б) измерение коэрцитивного поля Ex для тех же значений максимального поля E. в) вычислить емкость Cx образца, исходя из значений поляризации. Измерить

емкость образца с помощью моста УМ-3.Расхождение в величин еCx , определенное по

12

Лабораторная работа ¹ 80

петле и мостовым методом, объясняется сильной зависимост ью проницаемости сегнетоэлектрика от напряжения U .

Ðèñ.11.

ОС - полная поляризация ( P), ОВ - спонтанная поляризация ( Ps ), ОА - остаточная поляризация ( Pîñò ), СВ - индуцированная поляризация (Pi ), ÎÄ -

коэрцитивное поле ( Ex ), ОК - полное поле ( E).

2. Изучить зависимость спонтанной поляризации от температ уры. Построить

график Ps = Ps (T).

3. Изучить температурную зависимость диэлектрической про ницаемостиε è

обратной диэлектрической восприимчивости x в области температур 20 −1500C. Построить соответствующие графики. График x = x(T) построить по точкам через

50C в области 100 −1400C с помощью метода наименьших квадратов. Определить характер перехода, температуру Кюри (и, если переход I - ого р ода, температуру КюриВейсса), постоянную Кюри-Вейсса.

13