Експериментальна установка.
Рис. 9.9. Схема для спостереження сегнетоелектричних петель гістерезису ( по Сойеру і Тауэру).
Величину спонтанної поляризації сегнетоэлектрика можна визначити, якщо відомо залежність поляризації Р від напруженості електричного поля Е. Ця залежність має вигляд петлі гістерезису, її можна спостерігати на екрані осциллографа. Для цього на досліджуваний кристал, що має форму пластинки, наносять електроди методом впалювання срібла. Отриманий конденсатор Сх, поміщають у схему, вперше описану Сойером і Тауером (мал.9).
Схема живиться від джерела змінної напруги, що подається на горизонтально-відхиляючі пластини осциллографа. Якщо Се>>Сх, то практично вся напруга падає на Сх і відхилення променя (по горизонталі) на екрані буде пропорційно величині прикладеного до кристалу поля. Напруга Uе з еталонного конденсатора Се подається на вертикально-відхиляючі пластини. Оскільки конденсатор Се з'єднаний послідовно з кристалом Сх и Се>>Сх, та напруга на Се пропорційно струму в колі, що у свою чергу, пропорційний Сх. Ємність же конденсатора Сх визначається лише діелектричною сприйнятливістю речовини, поміщеної між обкладками конденсатора. Дійсно, заряди на конденсаторах однакові, отже:
СеUе = qе = qх
заряд на Сх пропорційний поляризації Р = qх/S, де S - площа зразка.
Таким чином Uе=SР/Се. Напруженість електричного поля в зразку Е = Uх/d, де d – товщина зразка.
Оскільки Е і Р зв'язані співвідношенням εЕ=Е+4πР для діелектричної проникності ε одержуємо ε = 1+4πР/Е. Діелектрична сприйнятливість зразка χ=Р/Е, а зворотна діелектрична сприйнятливість х = Е/Р.
Рис. 9.10. Петлі гістерезису на екрані осцилографа.
Але варто мати на увазі, що кристал ВаТiО3 володіє і деякою провідністю. Наявність цієї провідності приводить до додаткового зрушення фази між напругою і струмом і до перекручування петлі гістерезису, що спостерігається на екрані осцилографа. Для компенсації фазового зсуву паралельно Се включається опір Rе. Його величину потрібно відрегулювати так, щоб на кінцях петлі гістерезису не було затуплення або петельок (рис. 9.10).
У роботі передбачене нагрівання зразка до 140— 150ºС. Це дозволяє одержати температурну залежність цих величин, визначити характер фазового переходу і температуру Кюрі (а для сегнетоелектриків, що мають фазовий перехід 1 - ого роду і температуру Кюрі-Вейсса).
Завдання до роботи.
1.Дослідження ВаТiО3 при кімнатній температурі:
а) вимір повної поляризації зразка Р, спонтанної Рs, залишкової Рзал, індукованої Рі для 2-х - З-х значень поля Е (Рис. 9.11).
б) вимір коерцитивного поля Ех для тих самих значень максимального поля Е.
в) обчислити ємність зразка Сх, виходячи із значень поляризації. Виміряти ємність зразка за допомогою моста УМ-З. Розбіжність у величині Сх, визначене по петлі і мостовим методом, пояснюється сильною залежністю проникності сегнетоэлектрика від напруги U.
Рис. 9.11. Петля гістерезису сегнетоелектрика
ОС - повна поляризація (Р), ОВ - спонтанна поляризація (Рs), ОА - залишкова поляризація (Рзал) СВ - індукована поляризація (Рі), ОД - коерцитивне поле (Ех), ОК - повне поле (Е).
2. Вивчити залежність спонтанної поляризації від температури. Побудувати графік Рs = Рs(Т).
З. Вивчити температурну залежність діелектричної проникності ε і зворотньої діелектричної сприйнятливості х в області температур 20-150º С. Побудувати відповідні графіки. Графік х = х(Т) побудувати по точках через 5ºС в області 100 — 140º С за допомогою методу найменших квадратів. Визначити характер переходу, температури Кюрі (і, якщо перехід 1 - ого роду, температуру Кюрі-Вейсса), та постійної Кюрі-Вейсса.