Лабораторная работа № 3. «Изучение поляризационной характеристики сегнетоэлектриков».
Цель работы: Исследовать инерционные свойства сегнеоэлектриков. Получить навыки определения сегнетоэлектрической петли гистерезиса нелинейного конденсатора.
Краткая теория
Сегнетоэлектриками называют диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной поляризации, направление которой может быть изменена при воздействии электрического поля. Настоящее время число известных сегнетоэлектриков достигает нескольких сотен, что позволяет считать сегнетоэлектричество достаточно распространенным явлением диэлектрика.
Применение сегнетоэлектрических материалов для создания малогабаритных конденсаторов, нелинейных элементов, электрооптических модуляторов, пироэлектрических приемников лучистой энергии ставят их в один ряд с важнейшими электротехническими материалами. Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами. Широкое применение пьезотехнике находит сегнетоэлектрическая керамика (генераторы ультрозвуковых колебаний, гидроакустические преобразователи, датчики давления и деформации, микрофоны и звукосниматели, пьезотрансформаторы и фильтры).
Свойства сегнетоэлектриков характеризуются рядом особенностей по сравнению с линейными диэлектриками. Среди них можно выделить следующее:
Высокие значения диэлектрической проницаемости, достигающей десятков и сотен тысяч.
Сильная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля и от температуры. При определенной температуре, называемой точкой Кюри, сегнетоэлектрик испытывает фазовый переход, сопровождающийся изменением симметрии кристаллической решетки и изменением спонтанной поляризации. В точке Кюри диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения.
Наличие диэлектрического гистерезиса, т. ею отставания поляризации от приложенного напряжения.
При понижении температуры ниже точки Кюри в отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрические кристаллы разбиваются на множество малых областей – доменов, в которых направление вектора спонтанной поляризации различно, так что образец в целом является неполяризованным. В электрическом поле появление индуцированной поляризации сопровождается изменением направления электрических моментов отдельных доменов. Поэтому суммарное изменение поляризации сегнетоэлектрика под действием поля можно описать уравнением следующего вида:
 ,
где  - абсолютная диэлектрическая постоянная;  - относительная диэлектрическая восприимчивость индуцированной поляризации;  -спонтанная поляризация;  - часть объема, в котором произошло переключение доменов;  – коэффициент, характеризующий изменение направления вектора спонтанной поляризации.
Индуцированная поляризация линейно возрастает с увеличением электрического поля и исчезает при его выключении (она характерна для обычных диэлектриков). Изменение направление вектора спонтанной поляризации связана с процессами зарождения и роста новых доменов, движения доменных стенок, которые приводят к переориентации вектора спонтанной поляризации в направлении внешнего электрического поля и нелинейно зависят от его напряженности. На рисунке 3.1. показана форма петли гистерезиса и основная кривая поляризации сегнетоэлектрика (пунктирная линия). При воздействии слабого электрического поля связь между Р и Е носит приблизительно линейный характер и сегнетоэлектрик ведет себя подобно обычному диэлектрику (участок 0 – 1). Большое значение диэлектрической проницаемости материала на этом участке связано с обратимым смещением (флуктуацией) доменных границ. При дальнейшем увеличении напряженности поля происходит зарождение и разрастание доменов с преимущественной ориентацией, т. е. с совпадающей с направлением внешнего поля, что приводит к резкому приращению поляризации вплоть до точки 2, когда наступает техническое насыщение. Если в поляризованном до насыщения образце (точка 3) уменьшить напряженность поля до нуля, поляризация в нуль не обращается, а принимает некоторое остаточное значение Pост. Чтобы переполяризовать образец, к нему необходимо приложить противоположно направленное поле с напряженностью больше Ес.
Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым характером смещения доменных границ под воздействием электрического поля и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратами энергии на ориентацию доменов. Энергия гистерезисных потерь равна работе, совершаемой за период изменения внешнего поля,
и определяется площадью гистерезисной петли. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются аномально высоким  , который в типичных случаях принимает значения на уровне 0,1- 0,3. Резкое уменьшение наблюдается при температуре выше точки Кюри, когда исчезает спонтанная поляризация и сегнетоэлектрик превращается в обычный линейный диэлектрик.
Рисунок 5.1. – Типичная петля диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектрика
Нелинейность поляризации по отношению к полю и наличие гистерезиса обуславливают зависимость диэлектрической проницаемости и емкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работы. Для характеристики свойств материала в различных условиях работы нелинейного элемента используют понятия начальной, статистической, дифференциальной, реверсивной и эффективной диэлектрических проницаемостей.
Статистическая диэлектрическая проницаемость Ест определяется по основной кривой поляризации сегнетоэлектрика как отношение:
где Р и Е – координаты точек основной кривой поляризации;  - абсолютная диэлектрическая постоянная.
Описание установки
Принципиальная схема опытной установки изображена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - Принципиальная схема для снятия кулон-вольтовой характеристики конденсатора
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. (Повышающий трансформатор необходим для достижения насыщения диэлектрика.) Заряды на этих конденсаторах одинаковы и пропорциональны напряжению u1:
q = C1u1.
Напряжение u1 подаётся на горизонтальный вход осциллографа, а u2 - на вертикальный. Сигнал u1 на осциллографе необходимо инвертировать, чтобы положительному напряжению соответствовало отклонение луча на дисплее вверх. На экране осциллографа появляется зависимость q(u) для нелинейного конденсатора, примерный вид которой для разных температур показан на рисунке 3.3.
Напряжённость электрического поля:
 , где d – толщина диэлектрика. В исследуемом конденсаторе принять толщину диэлектрика равной  .
Вектор электрического смещения:
 , гдеS – площадь обкладок конденсатора. Площадь обклаток конденсатора принять равной  .
Рисунок 3.3 - Примерный вид кулон-вольтовой характеристики нелинейного конденсатора при разных температурах
Поляризованность:
 , где ε0 = 8,85∙10-12 – абсолютная диэлектрическая проницаемость пустоты.
Нагревание конденсатора осуществляется специальным резистором Rнагрев. от регулируемого источника постоянного напряжения. Измерение температуры производится с помощью термопары мультиметром MY60T.
Для сборки схемы используется наборная панель блока генераторов напряжений, как показано на монтажной схеме (рисунок 3.4).
Порядок выполнения работы
Для снятия характеристик сегнетоэлектрической петли гистерезиса соберите схему на рисунке 3.4. Подключите выход «канал 1» к входу горизонтального отклонения луча осциллографа «X», а «канал 2» к входу вертикального луча осциллографа «Y».
Плавно вращая регулировочную рукоятку 0…15 В генератора постоянного напряжения G2 довести диэлектрическую проницаемость образца до насыщения при частоте синусоидального напряжения 600…700 Гц. Рукоятками усиления осциллографа по вертикали и горизонтали произвести коррекцию сегнетоэлектрической петли гистерезиса таким образом, чтобы петля гистерезиса на экране осциллографа приняла наибольший размер. При дальнейших измерениях рукоятки горизонтального и вертикального усиления не трогать.
Рисунок 3.4 - Монтажная схема для снятия кулон-вольтовых характеристик нелинейного конденсатора при разных температурах
Органы управления осциллографа
Органы управления тракта вертикального отклонения:
переключатели «V/ДЕЛ» - устанавливают калиброванные коэффициенты отклонения каналов I и II;
рукоятки «▼» - регулируют коэффициенты отклонения каналов;
рукоятки «►» - обеспечивают плавную регулировку коэффициентов отклонения обоих каналов не менее чем в 2,5 раза в каждом положении переключателей «V/ДЕЛ»;
рукоятки «↕» - регулируют положение лучей обоих каналов по вертикали;
« 1MΩ 35 pF» - высокочастотные гнёзда для подачи исследуемых сигналов;
Переключатели режима работы входов усилителя в положениях:
» - на вход усилителя исследуемый сигнал поступает через разделительный конденсатор (закрытый вход);
« » - на вход усилителя исследуемый сигнал поступает с постоянной составляющей (открытый вход);
«┴» - вход усилителя подключён к корпусу;
«I» - на экране наблюдается сигнал канала I;
«II, X - Y» - на экране наблюдается сигнал канала II;
«X-Y» - вход усилителя Х подключается к I – му каналу усилителя Y.
Органы управления развёрткой:
переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ» - устанавливает калибровочный коэффициент развёртки, когда ручка плавной регулировки установлена в крайне правое положение;
ручка «ПЛАВНО» - обеспечивает плавную регулировку коэффициента развёртки с перекрытием в 2,5 раза в каждом положении переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ»;
рукоятка «↔» - обеспечивает перемещение луча по горизонтали;
переключатель «х1, х0,2» - увеличивает скорость развёртки в положении «х0,2» в 5 раз.
Проведение измерений
При проведении измерений необходимо осциллограф перевести в режим «X-Y», что позволит исследовать зависимость одного сигнала от другого. Для создания режима X-Y установите переключатель вида синхронизации в положение «X-Y», а переключатель вида работ - в положение «II, X-Y». Подайте на гнездо « 1MΩ 35 pF» первого канала сигнал, поступающий на горизонтальный канал отклонения.
На гнездо « 1MΩ 35 pF» второго канала подайте сигнал, поступающий на вертикальный канал отклонения. Чувствительность по вертикальному и горизонтальному каналам соответствует положению переключателя «V/ДЕЛ».
Перед определением напряжения либо по вертикальному, либо по горизонтальному отклонению сигнала переведите рукоятками «↕» и «↔» полученную петлю гистерезиса в центр экрана. Рукоятками «▼» и «►» установите размер фигуры на экране осциллографа на всю шкалу, при рукоятки плавного регулирования усиления обоих каналов осциллографа переведите в крайне правое положение. При необходимости переведите переключатель «х1, х10» в требуемое положение, тем самым зафисиксировав фигуру на экране осциллографа на максимальный размер (рисунок 3.4).
Рассмотрим пример определения напряжения полученной магнитной петли гистерезиса для исследуемого образца для точки Ec:
положение точки Ecсоставляет 1,5 деления на экране осциллографа;
рукоятка «▼» находится в положении «0,1 V/дел.»;
переключатель «х1, х10» находится в положении «х10»;
тогда величина отклонения по вертикальному каналу осциллографа составит
Изменяя амплитуду переменного напряжения «0…12 В», заносите напряжения u1 и u2 в таблицу 3.1. Рассчитайте и постройте поляризационную характеристику диэлектрика Р(Е) и дифференциальную зависимость (E).
Снимите сегнетоэлектрические петли гистерезиса при различных значениях температуры сегнетоэлектрического конденсатора. Температуру конденсатора регулируйте рукояткой регулятора 0…15 В. О нагреве сегнетоэлектрического конденсатора говорит индикатор на миниблоке.
Таблица 3.1 – Результаты проведения экспериментов
U1, B
(горизонтальный канал)
|
U2, В
вертикальный канал)
|
E, B/м
|
Кл/м2
|
Кл/м2
|
=D/(E)
|
Eср, B/м
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Содержание отчёта
Отчет о работе должен содержать:
Краткое изложение сущности примененного метода испытаний проводниковых материалов.
Принципиальную электрическую схему для проведения измерений.
Результаты наблюдений и вычислений в виде таблиц и графиков, формулы, по которым производились расчеты, и примеры вычислений.
Контрольные вопросы
1. Каковы отличительные особенности сегнетоэлектриков? Назовите области применения сегнетоэлектриков.
2. Почему на экране осциллографа можно наблюдать зависимость Q=f(U) для исследуемого сегнетоэлектрического конденсатора? Какие параметры сегнетоэлектрика можно определить с помощью петли гистерезиса?
3. Что называется точкой Кюри? Почему в точке Кюри диэлектрическая проницаемость максимальна?
4. Что характеризует площадь, ограниченная гистерезисной петлей? Как она изменяется с увеличением температуры?
|
Скачать 0.74 Mb.