Вследствие доменной структуры поляризованность и диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает огромных по сравнению с линейными диэлектриками значений.
Процесс поляризации сегнетоэлектриков во внешнем электрическом поле имеет две основные стадии. На первой стадии происходит смещение границ и рост тех доменов, ориентация векторов поляризации которых наиболее близка к ориентации внешнего поля. На второй – вращение векторов поляризации доменов и их установка параллельно направлению поля. В сильных полях число доменов, не сориентированных по полю, уменьшается, что приводит к постепенному замедлению поляризации – насыщение сегнетоэлектрика.
При циклическом изменении напряженности поля в сегнетоэлектрике наблюдается явление диэлектрического гистерезиса, состоящее в фазовом запаздывании электрического смещения относительно напряженности внешнего поля (рис.6.1).
Кривая, соединяющая вершины гистерезисных циклов поляризации называется основной кривой поляризации. На рис. 6.2 приведены типовые графики основной кривой поляризации и зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля. При определенной напряженности Еа, которая соответствует касательной 0а, проведенной из начала координат к кривой D = f(E), диэлектрическая проницаемость e достигает максимального значения.
Переполяризация сегнетоэлектрика связана с достаточно большими затратами энергии. Электрическая мощность, затрачиваемая за один цикл, пропорциональна площади гистерезисной диаграммы SDE и объему сегнетоэлектрика V. При периодической переполяризации мощность пропорциональна частоте f.
(6.3)
где MD, ME – масштабы осей в координатах «смещение-напряженность», MQ, MU – масштабы осей в координатах «заряд-напряжение».
В качестве оценки диэлектрических потерь часто применяют тангенс угла диэлектрических потерь, который может быть определен из выражения для активной мощности, потребляемой конденсатором. При параллельной схеме замещения конденсатора:
.
Отсюда (6.4)
Поляризация сегнетоэлектриков в сильной степени зависит от температуры. У большинства сегнетоэлектриков гистерезис и нелинейность кулон-вольтной характеристики проявляются при всех температурах вплоть до некоторой предельной, которая соответствует максимуму диэлектрической проницаемости и называется точкой Кюри. Выше этой температуры происходит обратимое изменение структуры материала (разрушение доменов) и исчезновение сегнетоэлектрических свойств. Диэлектрическая проницаемость при этом резко уменьшается (рис. 6.3).
сегнетоэлектрическими свойствами обладают сегнетова соль, титанат бария, титанат и ниобат лития и др. Сегнетоэлектрики применяются в электрических конденсаторах большой емкости, нелинейных конденсаторах (вариконды), в пьезоэлектрических излучателях и приемниках звука и ультразвука, в качестве нелинейных элементов в оптических системах, электронике и вычислительной технике и т.д.
2. Описание экспериментальной установки
Схема осциллографического исследования сегнетоэлектриков показана на рис. 6.4. Установка питается от сети переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на входе измерительной цепи регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа). Емкость исследуемого плоского сегнетоэлектрического конденсатора Сx, значительно меньше (на один-два порядка) емкости образцового конденсатора Со1. Поэтому, когда конденсатор Сx подключен (переключатель П в положении «1»), заряд в измерительной цепи , т. е. полностью определяется свойствами нелинейного конденсатора, и напряжение Uо1, подаваемое на вертикальные пластины электронного осциллографа (ЭО), пропорционально заряду Qx. На горизонтальные пластины осциллографа через делитель Rl - R2 подается часть общего напряжения U » Ux. Погрешность будет тем меньше, чем больше отношение емкостей Cо1 и Сx. В результате на экране осциллографа будет наблюдаться гистерезисная диаграмма поляризации Q(U). Положение «2» переключателя П, когда подключается емкость Со2 << Со1 , служит для определения масштабов осциллографа по осям x и у.
3. Порядок выполнения работы
3.1 Снятие основной кривой поляризации и определение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика.
Собрать измерительную цепь в соответствии со схемой на рис. 6.4. Перевести переключатель П в положение «1». Установить на входе цепи напряжение 120 В. На экране осциллографа должна наблюдаться гистерезисная диаграмма поляризации сегнетоэлектрика. Подобрать масштаб по вертикальной оси осциллографа так, чтобы изображение занимало весь экран.
Внимание: в процессе выполнения последующих пунктов лабораторной работы не допускается изменять положение масштабного переключателя осциллографа.
Измерить и записать в табл. 6.2 координаты вершины гистерезисного цикла: xm, ym (координаты вершины можно определить как половину размаха изображения по горизонтальной и вертикальной осям экрана). Повторить измерения, изменяя входное напряжение как показано в табл.6.2.
Таблица 6.2
h = мм, d = мм, S = pd 2 /4 = м2.
Опыт
Расчет
U
xm
yт
Um
Qm
Dm
Ет
e
eo
В
мм
мм
В
мкКл
Кл/м2
кВ/м
мкФ/м
—
120
100
80
60
40
20
При расчете использовать формулы: , где h, S – соответственно толщина и площадь слоя сегнетоэлектрика.
3.2 Определение масштабов по осям экрана осциллографа.
Переключатель П установить в положение «2». Вращением регулировочной рукоятки ЛАТРа, установить на входе цепи напряжение в пределах 40…60 В. На экране осциллографа должна наблюдаться наклонная прямая линия, представляющая кулон-вольтную характеристику Q(U) линейного диэлектрика конденсатора Со2. Занести в табл. 6.1 значения напряжения U и размаха колебаний луча осциллографа по горизонтали – Dх и вертикали – Dу.
Таблица 6.1
Измерение
Расчет
Примечание
U, В
Dх, мм
Dу, мм
MU, В/мм
MQ, Кл/м
Со1 = мкФ, Со2 = мкФ
Масштабы по осям координат определяются по следующим формулам:
(6.5)
3.3 Определение потерь в сегнетоэлектрике при комнатной температуре.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
