Лабораторная работа по изучению свойств сегнетоэлектриков

Зайцева Анжела Васильевна

МБОУ Одинцовская СОШ№8

Учитель физики и математики

Лабораторная работа по изучению свойств сегнетоэлектриков Цель работы:

1. Ознакомиться с основными положениями теории электрического поля в диэлектрике.

2. Получить на экране осциллографа зависимость индукции от напряженности электрического поля в сегнетоэлектрике (петлю гистерезиса).

3. Определить остаточную индукцию, коэрцитивную силу и тангенс угла диэлектрических потерь (tg) при различной частоте циклов изменения напряженности поля.

1. Указания к работе

Электрические заряды создают в окружающем пространстве электрическое поле. Количественной характеристикой силового действия электрического поля на заряженные частицы и тела служит векторная величина Е, называемая напряженностью электрического поля.

Рис. 1. Схема поляризации диэлектрика

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике создадим при помощи двух бесконечных, параллельных и разноименно заряженных плоскостей А и В (рис.1) однородное электрическое поле напряженностью .

Модуль напряженности результирующего поля внутри диэлектрика:

Диэлектрическая проницаемость среды  показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, внесенным в это поле.

Зависимость напряженности поля от свойств среды создает сложности при расчете полей. В частности, проходя через границу диэлектриков, вектор напряженности E претерпевает скачкообразное изменение. В связи с этим, для удобства расчетов вводят еще одну характеристику, а именно, вектор  электрического смещения.  Вектором  описывается электрическое поле, создаваемое свободными зарядами, т.е. поле в вакууме. В отличие от напряженности поля, электрическая индукция не зависит от диэлектрических свойств среды, что значительно упрощает расчеты полей в диэлектриках.

Особое место среди диэлектрических материалов занимают сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей:

сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли 104, для титаната бария 1200);

зависимость поляризованности Р (а, следовательно, и электрической индукции D ) от напряженности поля Е является нелинейной, т.е. диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от напряженности поля;

Рис. 2. Зависимость электрической индукции от напряженности внешнего поля

всем сегнетоэлектрикам, так же как и ферромагнетикам, свойственно явление гистерезиса, т.е. запаздывание изменений значения поляризованности Р и электрической индукции D от изменений напряженности поля Е.

Зависимости P = F(E) и D = F(E) имеют вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 2).

2. Рабочее задание.

получить у преподавателя 5-6 значений частоты f в пределах от 300 до 2000 Гц;

для каждого значения частоты аккуратно зарисовать петлю гистерезиса на миллиметровой бумаге;

записать в таблицу 1 результаты полученных измерений в сантиметрах: Em; Dm; Ea; Da; Ek; Dk ( обозначения соответствуют рис.2 );

Экспериментальные и расчетные значения напряженностей поля,             

электрической индукции и диэлектрической проницаемости                           

в зависимости от частоты.

Определить и записать в таблицу площадь S_пг каждой петли гистерезиса в (см²). Площадь петли определяется как сумма целых клеток плюс половина неполных клеток на миллиметровой бумаге.

Площадь петли диэлектрического гистерезиса S_пг пропорциональна потерям энергии А₁ на переполяризацию сегнетоэлектрика за один цикл.

Потери энергии как в диэлектрике, так и в сегнетоэлектрике оцениваются величиной tg, называемой тангенсом угла диэлектрических потерь. С увеличением частоты циклов переполяризации tg  возрастает.

1. Вычислить напряженности Em; Ea; Ek; электрического поля в сегнетоэлектрике

где h = 0,45 мм - толщина пластины сегнетоэлектрика в блоке БИС;

mx = 1В / Кx(см) - масштабный коэффициент отклонения луча по оси "Х";

Кх(см)- величина, получаемая при калибровке канала "Х";

Е (см) - результат измерения ( берется из табл.1 ).

Результаты выполненных расчетов записать в таблицу 1.

 2. Вычислить индукции Dm; Da; Dk электрического поля

где mх = 1 В/см - масштаб отклонения луча по оси "Y";

Sэ - площадь пластины сегнетоэлектрика в блоке БИС. ( Получить у преподавателя образец - аналог и выполнить измерения штангенциркулем); Sэ ~ 2 см;

C ~ 5100 пФ  емкость конденсатора С в блоке БИС;

D(см) - результат измерения (берется из табл.1)

Результаты выполненных расчетов записать в таблицу 1.

3. Для каждого значения частоты f вычислить тангенс угла диэлектрических потерь tg  сегнетоэлектрика:

где А₁ - потери энергии на гистерезис в единице объема сегнетоэлектрика за один цикл переполяризации (Потери пропорциональны площади петли гистерезиса S_пг);

А₂ - максимальная плотность энергии электрического поля в кристалле сегнетоэлектрика.

Значения Sпг, Em, Dm берутся из таблицы 1.