Задание. Снять экспериментально кулон-вольтовую характеристику нелинейного конденсатора q(u) при различных температурах. При одном из значений температуры рассчитать и построить поляризационную характеристику диэлектрика D(E), и зависимость относительной диэлектрическй проницаемости от напряжённости электрического поля e(E), приняв площадь поверхности обкладки конденсатора S = 300мм2 и толщину изоляции h = 0,01 мм.
1. Соберите лабораторную установку согласно схеме, изображенной на рис.3 и установите пределы измерения вольтметра V0 – 100 B, а вольтметра V1 – 20 В.
Предупреждение: Амплитуда напряжения на нелинейном конденсаторе вследствие резонансных явлений может достигать 100 В. Для уменьшения синфазного сигнала на входе коннектора и снижения искажений строго соблюдайте полярность подключения входов коннектора, указанную на схеме опыта.
2. Включите компьютер и откройте блок виртуальных приборов Приборы I. Активизируйте в верхнем окне этого блока прибор V0, а в третьем сверху – V1 и установите род измеряемой величины – Амплитуда.
3. Включите виртуальный осциллограф, подключите к его первому каналу сигнал V0, а к третьему – сигнал V1. Установите длительность развёртки 200 мкС/дел.
4. Включите блок генераторов напряжений, установите на генераторе напряжений специальной формы синусоидальный сигнал частотой 0,6…0,7 кГц максимальной амплитуды.
5. Убедитесь, что на виртуальном осциллографе появилось изображение примерно одного периода двух сигналов: кривая белого цвета соответствует изменению напряжения на нелинейном конденсаторе u0, кривая зелёного цвета – изменению напряжения на линейном конденсаторе u1. При необходимости сместите изображение по горизонтали, в центр экрана.
Рис.3. Схема соединений в лабораторной установке
6. Включите режим X-Y осциллографа и убедитесь, что на экране появилось изображение кулон-вольтовой характеристики конденсатора. При этом на вход Х нужно подать напряжение U0 (канал 1), а на вход Y – напряжение U1 (канал 3). Петля гистерезиса данного типа конденсаторов весьма узкая, на осциллографе она наблюдается как одна линия.
7. Зафиксируйте масштабы осциллографа нажатием кнопок 1 и 3 на блоках входов. При этом кнопки приобретают красный цвет, и в дальнейшем масштабы автоматически изменяться не будут.
8. Уменьшите синусоидальное напряжение до нуля и, увеличивая его шаг за шагом до максимально возможного напряжения генератора, записывайте в табл.1 амплитуды напряжений на линейном конденсаторе - U1 и на нелинейном - U0. Результаты занесите в табл.1.
9. Откройте виртуальный прибор Термометр/термостат, установите первое значение температуры нагрева и, когда она будет достигнута, снова перерисуйте кривую с экрана осциллографа на график. Повторяйте этот опыт до полного спрямления кулон-вольтовой характеристики.
10. При максимальном значении амплитуды приложенного напряжения перерисуйте кулон-вольтовую характеристику конденсатора в отчёт или сделайте копию экрана осциллографа.
4. Обработка результатов измерений
Рассчитайте поляризационную характеристику диэлектрика D(Е) и зависимость e(E). Выберите масштабы и постройте графики.
Табл. 1. Результаты измерений
| U0, B | U1, В | E, B/м | P, Кл/м2 | e |
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫи задания
1. Какие вещества относят к сегнетоэлектрикам?
2. Какая величина является основной характеристикой электрического поля? Что такое поляризованность? Что такое электрическое смещение? В каких единицах измеряются эти величины?
3. Что такое домены?
4. Какие процессы происходят в сегнетоэлектрике при изменении электрического поля?
5. Назовите основные свойства сегнетоэлектриков.
6. В чем состоит явление гистерезиса в сегнетоэлектрике? Как объяснить диэлектрический гистерезис?
7. Что называют коэрцитивной силой? Остаточным электрическим смещением?
8. От чего зависит диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика?
9. Что такое сегнетоэлектрическая точка Кюри?
10. Почему напряжение на пластинах Y пропорционально D, а на X - E?
11..Назовите области применения сегнетоэлектриков. На каких свойствах материалов основаны эти применения?
6. Литература
1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.-М.:Высш.шк.,2007.- 608 с
2. Лабораторный практикум по физике: Учеб. Пособие для студентов втузов/Под ред. К.А.Барсукова и В.Ю.Уханова. – М.: высш.шк., 1988.- 351с.
3. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. СПб.: Изд-во “Лань”, 2001.-368 с.
3. Беглецов Н.Н., Красногорцев И.Л. Электричество и магнетизм. Руководство по выполнению базовых экспериментов. ЭМФ.001 РБЭ (910) - Челябинск: ООО «Учебная техника», 2003. - 85 с.