9. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ
Цель работы
Исследование зависимости поляризованности сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля при различных температурах
Идея эксперимента
В эксперименте производятся исследования диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика, подтверждающие соответствие температурной зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика закону Кюри-Вейсса.
Теоретическая часть
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, он поляризуется, т.е. приобретает отличный от нуля дипольный момент
Pv=∑pi ,
где pi - дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной –поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:
P=pv/V.
Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность P линейно зависит от напряженности поля E. Если диэлектрик изотропный и E не слишком велик, то
P=ǽε0Е,
где ǽ - диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика, ǽ - величина безразмерная, притом всегда больше нуля и для большинства диэлектриков составляет несколько единиц. Например, для спирта ǽ=25, для воды – 80.
ǽ= ε-1,
где ε – диэлектрическая проницаемость среды.
Сегнетоэлектриками называются полярные диэлектрики, которые в определенном интервале температур спонтанно поляризованы, т.е. обладают поляризованностью при отсутствии электрического поля. На границах интервала температур сегнетоэлектрик в результате фазового перехода превращается в полярный диэлектрик.
Сегнетоэлектрики характеризуются чрезвычайно большим значением диэлектрической проницаемости, порядка 104 (в то время как диэлектрическая проницаемость, например, дистиллированной воды равна 81). Величина поляризованности Р нелинейно и неоднозначно зависит от напряженности электрического поля Е. Сегнетоэлектрики способны проявлять свойство диэлектрического гистерезиса, то есть их поляризованность Р определяется не только величиной напряженности Е поля в данный момент времени, но и зависит от предыстории образца. Это явление полностью аналогично явлению ферромагнитного гистерезиса. Свое название сегнетоэлектрики получили от сегнетовой соли (NaKC4H4O6´4H2O), на которой впервые были обнаружены описанные выше свойства. В настоящее время известно более ста чистых сегнетоэлектриков. Среди них наиболее известным является титанат бария (BaTiO3). Если изначально сегнетоэлектрик не был поляризован, то по мере роста напряженности внешнего поля, в которое он помещается, вектор поляризации Р увеличивается, что описывается основной кривой поляризации (участок ОА, рис.1). В достаточно сильных полях процесс поляризации достигает насыщения (Р= const). Если теперь начинать уменьшать напряженность поля, то поляризация начнет убывать, но зависимость P=f(E) теперь
будет описываться участком кривой АВ. В результате при Е=0 сегнетоэлектрик будет обладать некоторой остаточной поляризацией Рост ¹ 0. Чтобы полностью деполяризовать сегнетоэлектрик, необходимо, изменив направление внешнего поля, увеличивать его напряженность до некоторой величины Ес (участок ВС кривой поляризации). Величина Ес называется коэрцитивной силой. Если продолжать увеличивать напряженность поля в направлении обратном к первоначальному, то сегнетоэлектрик вновь начнет поляризоваться до насыщения, но уже в обратном направлении (участок СD). Дальнейший ход кривой симметричен первоначальному участку АСD. Таким образом, график зависимости поляризованности от напряженности внешнего поля имеет вид петли, которую называют петлей гистерезиса.
Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры характеризуется наличием максимума при достижении температуры Тк, называемой температурой Кюри (рис.2). Выше температуры Тк , характерной для каждого сегнетоэлектрика, его сегнетоэлектрические свойства исчезают и он превращается в обычный полярный диэлектрик
В некоторых случаях имеются две точки Кюри – сегнетоэлектрические свойства исчезают и при понижении температуры. Например, у сегнетовой соли имеются две точки Кюри, характеризуемые температурами 24ºС и -18ºС. Таких сегнетоэлектриков сравнительно немного. В области (Т>Тк) зависимость ǽ от температуры описывается формулой
ǽ=А/(Т-Т0) , (1)
где А – константа, Т0 - температура Кюри-Вейсса, близкая к температуре Кюри. Закон, выражаемый формулой 1, называется законом Кюри-Вейсса.
Среди сегнетоэлектрических кристаллов различают две группы: сегнетоэлектрики с водородными связями (сегнетова соль, NaNO3 и др.), ориентация дипольных моментов в которых связана с поворотом молекул в пространстве; сегнетоэлектрики кислородно-октаэдрического типа (BaTiO3 и др.), возникновение спонтанной поляризации которых сопровождается деформацией (растяжением) молекул.
Эти группы различаются значением константы А в законе Кюри-Вейсса и соотношением между Т0 и Тк. Для первой группы характерны значения константы А в диапазоне (1-5)×103 К и Т0=Тк. Для второй группы константа А лежит в диапазоне (1-3)×105 К, Т0 примерно на 10° ниже, чем Тк.
Спонтанная поляризация является источником очень больших электрических полей. Вокруг макроскопического объема сегнетоэлектрика, поляризованного спонтанно в некотором направлении, возникает электрическое поле большой энергии. Такое состояние энергетически невыгодно. Система стремится перейти в такое состояние, чтобы , с одной стороны, существовала спонтанная поляризация, а с другой стороны, энергия была бы минимальной. Это может осуществиться в результате разделения объема сегнетоэлектрика на малые области , в каждой из которых имеется спонтанная поляризация в некотором определенном направлении, различным для различных областей. При этом средняя поляризованность всего объема равна нулю, поэтому напряженность внешнего электрического поля, порождаемого этим объемом, близка к нулю. Малые области со спонтанной поляризацией называются диэлектрическими доменами или просто доменами. Таким образом, неполяризованный сегнетоэлектрик является совокупностью доменов с беспорядочно ориентированными спонтанными поляризованностями. Энергетически выгодно уменьшение объемов доменов, но этому процессу препятствует фактор, связанный с наличием поверхностной энергии на границе между соседними доменами. С уменьшением объемов доменов увеличивается суммарная поверхность границ, что ведет к увеличению поверхностной энергии, поэтому объемы доменов могут уменьшаться лишь до определенных пределов порядка тысяч межмолекулярных расстояний.
Процесс изменения поляризованности сегнетоэлектрика во внешнем электрическом поле состоит в переориентации дипольных моментов отдельных доменов в изменении объемов и движении границ между доменами.
Сегнетоэлектрики получили широкое применение в науке и технике. Например, на их основе получены конденсаторы с зависящей от температуры емкостью, так называемых варикондов.
Экспериментальная установка
Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 3, схема которой приведена на рис. 4. Образец представляет собой небольшой диск из сегнетоэлектрика с посеребренными поверхностями – вариконд 1.
Диэлектрическая проницаемость e исследуемого сегнетоэлектрика рассчитывается по измерениям емкости конденсатора С1:
(2)
Для температурных исследований образец помещается в нагреватель 2, питание которого осуществляется от сети. Скорость нагрева можно регулировать. Температура сегнетоэлектрика измеряется с помощью дифференциальной термопары 3 подключенной к милливольтметру 5, с пределом измерения 10 мВ. Контрольный спай термопары погружен в калориметр с таящим льдом 4. Градуировочная кривая термопары дана в приложении к прибору. Для измерения емкости вариконда используется измеритель иммитанса Е 7-15 6, внешний вид которого приведен на рис. 5.
Для проведения измерения достаточно подключить исследуемый образец к зажимам и установить нужный режим измерения. Нажатием кнопки «Параметр» установить прибор в режим измерения LC.
Для визуализации процесса используется электронный осциллограф ЭО.
Тумблером вида работ можно переключать схему на измерения и визуализацию.
Проведение эксперимента.
1. Собрать цепь по схеме на рис. 3
2. Переведите тумблер вида работ на визуализацию.
· К клеммам ГЗ подключить звуковой генератор (600 Ом)
· Подключить осциллограф ЭО.
· Подать напряжение на установку и получить на экране осциллографа петлю гистерезиса.
3. Переведите тумблер вида работ на работу с измерительным прибором.
· Разарретировать милливольтметр. При необходимости с помощью корректора установить стрелку (зайчик) прибора на ноль.
· Нагреватель установки при выполнении этого задания должен быть отключен.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25
