• 5

Работа 55. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

Принадлежности: образцы сегнетоэлектриков, держатель образцов, закры­тый плексигласовым защитным колпаком, осциллограф С1-1, мост для измере­ния малых емкостей, высоковольтный трансформатор, вольтметр переменного тока.

Сегнетоэлектриками называют группу диэлектриков, отличаю­щихся большой величиной диэлектрической проницаемости — до нескольких тысяч. К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль NaKC4H406-4H20, кристаллы типа КН2Р04 и кристаллы тита- ната бария BaTi03.

Основные свойства сегнетоэлектриков: большая величина е, насыщение при сравнительно небольших полях, гистерезисные явления, возникающее при переориентации электрического поля, — объясняются спонтанной поляризацией образцов. Кристаллы сегне­тоэлектриков состоят из самопроизвольно поляризованных до на­сыщения областей, называемых обычно доменами. В отсутствие

Р 55. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

323

внешнего поля домены поляризованы хаотично и суммарный элект­рический момент образца равен нулю. При наложении поля векторы поляризации ориентируются в направлении поля, и об­разец приобретает заметный электрический момент даже в сравни­тельно слабых полях.

Способность спонтанно поляризоваться присуща сегнетоэлект- рикам лишь в определенной области температур. Температуры, при которых диэлектрическая постоянная сегнетоэлектриков падает до «обычных» значений, носят название «точек Кюри» (у сегне- товой соли их две — верхняя и нижняя). При температуре Кюри в сегнетоэлектриках происходит изменение кристаллической струк­туры и спонтанная поляризация становится невозможной. У боль­шинства сегнетоэлектриков этот переход является фазовым переходом второго рода, т. е. не связан со скрытой теплотой перехода и сопро­вождается только скачком теплоемкости.

В работе исследуется поляризация сегнетоэлектриков (титана- та бария и сегнетовой соли) под действием внешнего электрического поля и определяется температура Кюри титаната бария.

I. Исследование поляризации сегнетоэлектриков под действием внешнего электрического поля

Поляризацию сегнетоэлектриков удобно изучать на графике, построенном в координатах Е, D, где Е — напряженность элект­рического поля, a D — электрическая индукция в образце. Для

Трансформатор      ft

 

 

 

Рис. 162. Схема экспериментальной установки для ис­следования сегнетоэлектриков.

построения кривой D = D (Е) в работе используется экран осцил­лографа. Электрическая схема установки изображена на рис. 162. Питание производится от сети с помощью вариака и повышающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1 : 30. Вольт­метр V установлен со стороны сети: его показания следует соот­ветственно умножать на 30.

Исследуемый сегнетоэлектрик зажимается между двумя метал­лическими пластинами и образует конденсатор Сх (рис. 162). На­пряжение к сегиетоэлектрику подводится через последовательно соединенный с ним конденсатор С0 большой (по сравнению с Сх) ем­кости. При протекании тока через последовательно соединенные конденсаторы на их обкладках возникают равные заряды q. На­пряжение, возникающее на конденсаторе С0> подается на верти­кально отклоняющие пластины осциллографа. Это напряжение равно q/C0. Заряд q пропорционален вектору электрической индук­ции D в образце:

где S — площадь пластин конденсатора Сх. На вертикальных пла­стинах осциллографа возникает, следовательно, напряжение, про­порциональное электрической индукции D.

Емкость конденсатора Сх значительно меньше емкости С0, поэтому практически к Сх приложено все напряжение, подведенное к схеме. Это напряжение связано с напряженностью электриче­ского поля очевидным соотношением

где d — толщина сегнето-электрика. Пропорциональное Е напря­жение V подается на горизонтальные пластины осциллографа с помощью омического делителя rl9 г2.

На экране осциллографа возникает, таким образом, картина, изображающая электрические характеристики сегнетоэлектрика в координатах, пропорциональных Е и D. Масштаб изображения при известных С0, гг и г2 легко может быть установлен с помощью соотношений (1) и (2); решение этой задачи мы предоставляем чи­тателю. Следует, конечно, помнить, что градуировка осциллографа имеет смысл только при фиксированных положениях его аттенюато­ров. Значения гъ г2, С0 и S указаны на установке.

Так как в работе используются высокие напряжения (до 1500 В), образец помещают в специальный держатель, прикрытый охран­ным плексигласовым колпаком. Установка имеет блокирующее устройство, не позволяющее включить высокое напряжение при от­крытом или неплотно закрытом колпаке.

Измерения. Для проверки установки в начале опыта вместо ис­следуемой емкости Сх включите в схему конденсатор, изготовлен­ный из материала, не обладающего сегнетоэлектрическими свой­ствами. В качестве последнего можно воспользоваться керамиче­ской посеребренной пластиной, которую удобно помещать в те же зажимы, в которые устанавливается затем сегнетоэлектрический образец. На осциллографе в этом случае должна быть видна прямая линия. После этого поместите в зажимы исследуемый об­разец.

 

(1)

Е = V/dy

т

Постепенно увеличивая напряжение, подаваемое на образец, подберите режим, при котором петля гистерезиса, наблюдающаяся на экране осциллографа, приобретает характерный изгиб и стано­вится достаточно широкой. Перерисуйте петлю на кальку не менее чем по 30 точкам и затем постройте на миллиметровке в осях D и Е. Рассчитайте емкость исследуемого образца.

Установка позволяет исследовать зависимость емкости Сх от напряжения на образце. Измерения производятся для двух об­разцов титаната бария и образца сегнетовой соли. Результаты опыта представляются в виде графика.

Повышать напряжение на образце нужно очень осторожно, и в случае пробоя немедленно выключить высокое напряжение.

II. Определение температуры Кюри титаната бария

Таблетка титаната бария диаметром 20 мм. и толщиной 3 мм с серебряными обкладками помещена внутри теплоизолированного снаружи медного блока, снабженного нагревательной обмоткой и термометром.

Исследуйте с помощью моста изменение емкости таблетки при медленном ее нагревании от комнатной температуры до 150 °С. Из графика определите температуру Кюри. Измерения следует повторить при остывании образца.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я