ИССЛЕДОВАНИЕ Поляризационной характеристики
сегнетоэлектрика
Цель работы: ознакомление со свойствами сегнетоэлектриков; снятие поляризационной характеристики (основной кривой поляризации) сегнетоэлектрика; исследование влияния температуры.
1. Постановка задачи
Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Свое название сегнетоэлектрики получили от сегнетовой соли NaKC4H4O6 . 4H20 – вещества, в котором впервые были обнаружены особые свойства, присущие данной группе диэлектриков. В настоящее время известно несколько сотен соединений, обладающих свойствами сегнетоэлектриков. Наиболее распространенным (по практическому использованию) сегнетоэлектриком является метатитанат бария BaTiO3.
Свойства сегнетоэлектриков:
1) высокие значения диэлектрической проницаемости – до 104 - 105;
2) нелинейная и неоднозначная зависимость электрического смещения D и поляризованности P от напряженности электрического поля Е;
3) наличие диэлектрического гистерезиса при переориентации электрического поля;
4) Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры с резким пиком в точке Кюри.
В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10-6 до 10-3 м. Направления электрических моментов в различных доменах различно. Поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю. Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости. Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора поляризованности в направлении внешнего электрического поля.
На рис.1 показана поляризационная характеристика (основная кривая поляризации) сегнетоэлектрика – зависимость электрического смещения D от напряженности внешнего электрического поля E. Так как диэлектрическая проницаемость очень велика, то значения электрического смещения D и поляризованности Р практически совпадают (по вертикальной оси можно откладывать и значения Р).
В исходном состоянии, соответствующем точке 0, сегнетоэлектрик неполяризован, поэтому при Е =0 D = 0
При воздействии слабого электрического поля связь между D и Е носит приблизительно линейный характер (участок 0А). На этом участке преобладают процессы обратимого смещения доменных границ. В области более сильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер. При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, у которых вектор спонтанной поляризации образует наименьший угол с направлением поля. При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированными по полю. Наступает состояние технического насыщения. Некоторое небольшое возрастание электрической индукции на участке технического насыщения обусловлено процессами электронной и ионной поляризации. Кривую 0АВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика или его поляризационной характеристикой.
Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность электрического поля до нуля, то электрическое смещение в ноль не обратится, а примет некоторое остаточное значение Dr. При воздействии полем противоположной полярности электрическое смещение (и поляризованность) уменьшается и становится равным нулю при Е = Ес. Величину Ес. называют коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение напряженности поля вновь переводит образец в состояние технического насыщения (точка С). Таким образом, переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Слово гистерезис означает запаздывание, состояние диэлектрика как бы отстает от изменения поля.
В итоге график зависимости электрического смещения D (и поляризованности P) от напряженности поля E имеет вид петли, которую называют петлей гистерезиса.
Совокупность вершин петель гистерезиса, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика (кривую ОАВ на рис.1).
Так как зависимость D(E) нелинейна, то диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от напряженности электрического поля. Само понятие диэлектрической проницаемости для сегнетоэлектриков является неоднозначным. Различают статическую, реверсивную, эффективную и другие диэлектрические проницаемости. Приведем здесь два определения.
Статическая диэлектрическая проницаемость e определяется по основной кривой поляризации сегнетоэлектрика:
. (1)
Реверсивная диэлектрическая проницаемость eр характеризует изменение поляризации сегнетоэлектрика в переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного электрического поля:
. (2)
В данной работе рекомендуем определять статическую диэлектрическую проницаемость.
Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры и переходит в параэлектрическое состояние. Температура ТК такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри. В точке Кюри диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения.
Применение сегнетоэлектриков.
В техническом применении сегнетоэлектриков наметилось несколько направлений:
1) изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью (основная область применения);
2) использование материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств;
3) использование сегнетоэлектриков с прямоугольной петлей гистерезиса для цифровой записи информации;
4) использование кристаллов сегнетоэлектриков для модуляции и преобразования лазерного излучения.
2.Описание Лабораторной установки
Принципиальная схема установки изображена на рис.2.
Рис.2. Принципиальная схема установки
Синусоидальное напряжение подаётся через повышающий трансформатор на цепь, состоящую из последовательно соединённых линейного конденсатора С1 и нелинейного конденсатора С0 типа К10-17 с изоляцией из сегнетоэлектрика. Заряды на этих конденсаторах одинаковы и пропорциональны напряжению u1:
q = C 1 u 1. (3)
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 - основную кривую поляризации D(E).
Напряженность электрического поля найдем
, (4)
где h – толщина диэлектрика.
Величина электрического смещения численно равна поверхностной плотности свободных зарядов на обкладках нелинейного конденсатора, ее можно рассчитать следующим образом
, (9)
где S – площадь обкладок конденсатора.
В данной работе рекомендуем определять статическую диэлектрическую проницаемость, используя формулу (1).
Нагревание конденсатора осуществляется специальным резистором Rнагрев. от регулируемого источника постоянного напряжения. Регулирование нагрева можно осуществлять как вручную, так и автоматически с помощью виртуального прибора Термометр/термостат и миниблока Электронный ключ. Измерение температуры производится с помощью термопары мультиметром или виртуальным термометром.
Точка Кюри диэлектрика конденсатора К10-17 лежит в области отрицательных температур, поэтому в данной работе она не определяется.