5.1. Общие сведения
Поляризация диэлектриков - это смещение зарядов внутри его атомов и молекул под действием внешнего электрического поля, а вектор поляризованности Р равен количеству заряда, прошедшего в результате поляризации через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению смещения.
В обычных диэлектриках вектор поляризованности Р и вектор электрическое смещения (вектор электростатической индукции) D пропорциональны напряжённости электрического поля Е:
D = e0 E + P = e0 E + 
Е = eа Е,
где e0 – диэлектрическая проницаемость пустоты;
- абсолютная диэлектрическая восприимчивость;
eа = e0 + - абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Сегнетоэлектрики - это группа диэлектриков, у которых в некотором интервале температур наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризованность. В отсутствие внешнего поля векторы спонтанной поляризованности отдельных ячеек вещества (доменов) направлены хаотично и суммарная поляризованность равна нулю. При наложении внешнего поля наряду с обычной поляризацией происходит ориентация поляризованных доменов вдоль линий внешнего поля и суммарная поляризованность возрастает очень быстро. Зависимость Р(Е), в отличие от обычных диэлектриков, становится нелинейной (рис. 5.1). При некотором значении напряжённости поля этот процесс завершается и при дальнейшем увеличении поля поляризованность возрастает как в обычном диэлектрике. Это область насыщения сегнетоэлектрика. При уменьшении поля и дальнейшем изменении его направления кривая зависимости Р(Е) не совпадает с первоначальной и идёт несколько выше, а при циклическом изменении напряженности образует замкнутую кривую, которая называется петлёй гистерезиса сегнетоэлектрика. Ширина петли и, следовательно, потери на поляризацию у различных сегнетоэлектриков существенно отличаются. Сегнетомягкие материалы, имеющие очень узкую петлю используются для изготовления малогабаритных конденсаторов большой ёмкости.
Если у обычных диэлектриков абсолютная диэлектрическая проницаемость
eа = (1…4) e0, то у сегнетоэлектриков она может достигать 104e0.
В данной работе исследуется малогабаритный конденсатор, диэлектриком в котором служит сегнетомягкий материал. Для экспериментального получения зависимости P(E) используется тот факт, что у сегнетоэлектриков e0E<<Pи, следовательно D@P, т.е. зависимость P(E) практически совпадает с D(E). Последняя же подобна кулон-вольтовой характеристике q(U), так как в конденсаторе, площадъ пластин которого S и расстояние между ними d: q = DS и U = Ed. Кулон-вольтовая характеристика конденсатора может быть получена на экране виртуального или электронного осциллографа.
Принципиальная схема опытной установки изображена на рис. 5.2
Синусоидальное напряжение подаётся через повышающий трансформатор на цепь, состоящую из последовательно соединённых линейного конденсатора С1 и нелинейного конденсатора с изоляцией из сегнетоэлектрика С0. Заряды на этих конденсаторах одинаковы и пропорциональны напряжению u 1:
q = C 1 u 1.
Напряжение u 1 подаётся на вертикальный вход электронного или виртуального осциллографа, а u 0 - на горизонтальный. На экране осциллографа появляется зависимость q(u) для нелинейного конденсатора. По ней можно рассчитать поляризационную характеристику P(E):
, где d – толщина диэлектрика.
, где S – площадь обкладок конденсатора.
Добавочный резистор R = 10 Ом служит для ограничения постоянной составляющей тока, возникающего из за наличия небольшой постоянной составляющей в выходном напряжении генератора.
5.2. Экспериментальная часть
Задание
Получить на экране виртуального или электронного осциллографа кулон-вольтовую характеристику нелинейного конденсатора q(u). Рассчитать и построить поляризационную характеристику диэлектрика P(E), а также зависимость относительной диэлектрической проницаемости от напряжённости электрического поля e (E), приняв площадь поверхности обкладки конденсатора S = 300 мм2 и толщину изоляции d = 0,01 мм.