Лабораторные работы №1,2,6,7,8 / л7

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

Лабораторная работа по МиЭЭТ № 7

Исследование свойств сегнетоэлектрических материалов

Выполнил: Фёдоров Д. С.

Гр. 2211

Основные понятия и определения

Сегнетоэлектрическими называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация наблюдается в диэлектриках, имеющих доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, которые обладают электрическим моментом в отсутствии электрического поля. При этом направления электрических моментов у разных доменов различны. Наложение внешнего электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что создаёт эффект поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам высокие значения диэлектрической проницаемости.

Важнейшее свойство сегнетоэлектриков – это нелинейная зависимость их электрической индукции D от напряжённости электрического поля E. Эту зависимость называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика.

Переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплиткды переменного поля, образуют основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.

Для характеристики свойств материала в различных условиях его работы используют понятия статической, реверсивной, начальной и других диэлектрических проницаемостей. Статическая диэлектрическая проницаемость ε_ст определяется по основной кривой поляризации:

ε_ст = D / (ε_oE).

Реверсивная диэлектрическая проницаемость ε_р характеризует изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля.

Начальной называют диэлектрическую проницаемость, измеренную в очень слабых электрических полях.

В процессе нагревания наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости. При нагревании выше температуры Кюри θ_к происходит распад доменов, спонтанная поляризация исчезает и изменяется структура материала.

Схема установки

Обработка результатов

1. Определение масштабов горизонтальной и вертикальной развёртки осциллографа:

, где U_1m – амплитудное значение приложенного напряжения, U₁ – действующее значение напряжения, установленное по вольтметру PV1, x – отклонение по горизонтальной оси.

, где Q – заряд на обкладках конденсатора C₀₂, Y – отклонение по вертикальной оси, U₃ = U₁ / (C₀₂/C₀₁ + 1) – напряжение на конденсаторе C₀₂.

;

Таблица 7.1

xдел	U1m, B	E1m, кВ/м	Yдел	Qx, мкКл	Cст, пФ	εст
0	0	0	0	0
0,5	25,1	50,2	0,1	0,284	11,31	3653
1	50,2	100,4	0,2	0,568	11,31	3653
1,5	75,3	150,6	0,5	1,42	18,86	6088
2	100,4	200,8	0,8	2,272	22,63	7306
2,5	125,5	251	0,9	2,556	20,37	6575
3	150,6	301,2	1	2,84	18,86	6088
3,5	175,7	351,4	1,1	3,124	17,78	5740
4	200,8	401,6	1,2	3,408	16,97	5479
4,5	225,9	451,8	1,3	3,692	16,34	5276

2. Вычисление максимальных значений напряжённости электрического поля и соответствующих им зарядов:

, где h – толщина сегнетоэлектрика.

3. Основная кривая заряда сегнетоэлектрического конденсатора:

4. Вычисление статической ёмкости C_ст и статической диэлектрической проницаемости ε_ст :

; , где ε_о=8,85*10^-12 Ф/м – электрическая постоянная, S – площадь электродов.

5. Зависимость статической диэлектрической проницаемости от напряжённости электрического поля:

Таблица 7.2

U2, В	Е2, МВ/м	U1 = 10 В			U1 = 25 В
		U3, мВ	Ср, пФ	εр	U3, мВ	Ср, пФ	εр
0	0	22	2,2	710	185	7,4	2389
50	0,1	21	2,1	678	100	4	1291
100	0,2	19	1,9	613	70	2,8	904
150	0,3	17	1,7	549	55	2,2	710
200	0,4	15	1,5	484	45	1,8	581
250	0,5	13	1,3	420	35	1,4	452

6. Вычисление реверсивной ёмкости C_р, реверсивной диэлектрической проницаемости ε_р и напряжённости постоянного электрического поля E₂:

; ; , где U₂ – постоянное напряжение смещения на сегнетоэлектрическом конденсаторе.

7. Зависимость реверсивной диэлектрической проницаемости от напряжённости постоянного электрического поля:

Таблица 7.3

t, ˚C	U3, мВ	Снач, пФ	εнач
16	10	2	646
50	23	4,6	1485
70	80	16	5165
80	30	6	1937
90	20	4	1291

8. Вычисление ёмкости С_эф и начальной диэлектрической проницаемости ε_нач:

; .

9. Температурная зависимость начальной диэлектрической проницаемости:

Как видно из графика температура Кюри где-то в районе 60 – 70 ˚С.