WWW.DOC.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные документы
 

«Цель и содержание работы Цель работы состоит в изучении основных свойств сегнетоэлектриков. Содержание работы предусматривает исследование ...»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 202

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель и содержание работы

Цель работы состоит в изучении основных свойств сегнетоэлектриков. Содержание

работы предусматривает исследование петель диэлектрического гистерезиса сегнетоматериалов; измерение коэрцитивной силы, полной, остаточной, спонтанной и индуцированной поляризации керамического сегнетоэлектрика типа "вариконд ВК-1" осциллографическим методом.

Краткая теория работы

СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

У некоторых твердых диэлектриков в определенном интервале температур наблюдается спонтанная или самопроизвольная поляризация. На границах этой температурной области они испытывают фазовые превращения, переходя в новые кристаллические модификации, в которых спонтанная поляризация не наблюдается. Первоначально эти свойства были обнаружены в кристаллах сегнетовой соли – двойной натриевокалиевой соли винной кислоты, и поэтому все подобные диэлектрики получили название сегнетоэлектриков.

Кристаллическая модификация, в которой сегнетоэлектрик спонтанно поляризован, называется полярной фазой, а модификация, в которой спонтанная поляризация отсутствует – неполярной фазой. Температура, при которой сегнетоэлектрики переходят из К полярной в неполярную фазу или обратно, называется точкой Кюри.

Как правило, сегнетоэлектрик имеет только одну точку Кюри, ниже которой он находится в полярной, а выше – в неполярной фазе. Исключение составляет сегнетова соль.



18 С и верхнюю 24 С. Спонтанная поОна имеет две точки Кюри: нижнюю 1 1 ляризация наблюдается в температурной области, ограниченной этими точками, и не наблюдается при других температурах.

Сегнетоэлектрики в полярной фазе обладают следующими особенностями:

1. В некотором температурном интервале диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков весьма велика и достигает значения около 10000.

2. Диэлектрическая проницаемость сильно зависит от температуры и напряженности электрического поля, причем эта зависимость нелинейна.

3. Значение поляризации P определяется не только значением напряженности E, но зависит еще от предшествовавших состояний поляризации. (Это явление называется диэлектрическим гистерезисом).

4. При переходе через точку Кюри скачкообразно изменяется целый ряд свойств вещества: структура кристаллической решетки, удельная теплоемкость, показатель преломления и др.

Аномальные электрические свойства сегнетовой соли были открыты И.М.Валашеком в 1921 г., а затем в начале 30-х годов подробно исследованы И.В. Курчатовым (1903-1960 гг.) и П.П.Кобеко (1897-1954).

В I944 г. В.М.Вул в СССР и, независимо от него Вейнер и Соломон в США, Огана в Японии открыли новый сегнетоэлектрик – титанат бария.

Титанат бария BaTiO3 представляет собой поликристаллический неорганический диэлектрик (керамический диэлектрик), изготовляемый путем обжига смеси порошков углекислого бария и двуокиси титана TiO2. Диэлектрическая проницаемость этого сегнетоэлектрика равна 1000-1200. При 120 С у него наблюдается точка Кюри, в которой происходит превращение кристалла из тетрагональной модификации в кубическую, и спонтанная поляризация исчезает. Это открытие сыграло важную роль в развитии представления о сегнетоэлектрических явлениях и послужило началом многих работ по исследованию и созданию новых сегнетоэлектриков.





В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков. Отечественной промышленностью разработана большая группа сегнетокерамических материалов с высокими нелинейными свойствами, отличающихся разнообразием электрических характеристик.

На основе этих материалов создана серия сегнетоэлектриков "варикондов", предназначенных для эксплуатации в самых различных режимах.

Рассмотрим природу спонтанной поляризации на примере наиболее известного сегнетоэлектрика – титаната бария BaTiO3. Точка Кюри титаната бария 120 С. При температурах выше 120 С это вещество обладает простой элементарной ячейкой (рис. 1).

Ячейка – кубическая, в центре находится атом титана, в вершинах куба – атомы бария, а в центрах граней – атомы кислорода. Элементарная ячейка не обладает дипольным моментом, так как все заряды расположены симметрично. Если, однако, ионы Ti 4 и O2 смещаются (в результате флуктуации) относительно ионов Ba2, образуются диполи с определенной конфигурацией. Предположим, что ион Ti 4 смещается в направлении, иона O2, расположенного на одной из граней куба, элементарный куб приобретает при этом дипольный момент в указанном направлении. Если такое смещение ионов титана происходит во всех элементарных ячейках кристалла, то возникает суммарная поляризация всего твердого тела. Исследования показали, что в BaTiO3 имеет место смещение как ионов

–  –  –

на и кислорода вектор поляризации будет иметь величину 1,6 *10 1 Кл м2. Непосредственные измерения вектора поляризации дают в пределах ошибок опыта ту же величину.

–  –  –

Сегнетоэлектрический гистерезис – неоднозначная зависимость вектора поляризации P сегнетоэлектрика от внешнего электрического поля E. Обычно сегнетоэлектрики (в определенном интервале температур) подразделяются на отдельные области – области спонтанной (самопроизвольной) поляризации – домены (рис. 2), в которых возникает большой электрический момент, даже в отсутствие внешнего электрического поля. Несмотря на то, что направления поляризации отдельных доменов различны, суммарный электрический дипольный момент образца практически отсутствует. Равновесная доменная структура сегнетоэлектриков отвечает минимуму свободной энергии кристалла.

Во внешнем электрическом поле происходит изменение направления поляризации в отдельных доменах. Это изменение таково, что векторы поляризации приближаются к положению, параллельному направлению внешнего поля, и тем ближе, чем больше напряженность внешнего поля. Поэтому поляризация сегнетоэлектрика возрастает (так как вектор поляризации есть электрический момент единицы объема диэлектрика, равный векторной сумме электрических моментов всех молекул, заключенных в единице объема 1 pi ). Зависимость поляризации от величины внешнего поля нелинейна.

P Vi При некотором значение поля EН все домены будут поляризованы в направлении поля, и поляризация будет иметь значение PН. Дальнейшее увеличение поля ( E EН ) приведет к линейному росту поляризации за счет индуцированной поляризации (индуцированная поляризация – поляризация, возникающая благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов и т.п.).

Экстраполируя участок насыщения до пересечения с осью поляризации, т.е. к значению 0, получают значение спонтанной поляризации Pсп. Разность между значениями PН E и Pсп – индуцированная поляризация Pин. Полученная кривая называется основной кривой поляризации.

–  –  –

При уменьшении напряженности внешнего электрического поля до EН значение поляризации будет изменяться линейно, при дальнейшем уменьшении напряженности внешнего электрического поля значение поляризации будет уменьшаться медленнее, чем по основной кривой. При уменьшении поля до нуля у образца сохраняется так называемая остаточная поляризация Pост.

Для того чтобы уменьшить поляризацию, надо приложить электрическое поле противоположного направления Eк, называемое коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении электрического поля обратного направления вновь достигается состояние насыщения PН. При циклическом изменении поля графическая зависимость, характеризующая изменение поляризации образца, образует замкнутую кривую – петлю сегнетоэлектрического гистерезиса.

Если величину электрического поля циклически изменять в таких пределах, что насыщения поляризации не достигается, то получается непредельная петля гистерезиса.

Во внешнем электрическом поле происходит изменение поляризации в отдельных доменах. Это изменение таково, что векторы поляризации приближаются к положению, параллельному направлению поля, и тем ближе, чем сильнее поле. В результате кристалл поляризуется (приобретает дипольный момент). Зависимость поляризации от напряженности электрического поля представлена на рис. 3.

Таким образом, поляризация сегнетоэлектриков является нелинейной функцией внешнего поля. Из этого следует, что диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности поля. Для сегнетоэлектриков вводят понятие эффективной диэлектрической проницаемости, которую определяют как отношение максимальной величины вектора поляризации Pmax к максимальному (амплитудному) значению напряженности поля Emax с

–  –  –

Рис. 3. Основная кривая поляризации и петля гистерезиса сегнетоэлектрика.

На рис. 4 представлена температурная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков BaTiO3 и ВК-1. Как видно из рисунка, зависимость f (T ) имеет резко выраженный максимум. (Температуру, соответствующую максимальному значению, называют точкой Кюри). Большое значение диэлектрической проницаемости вблизи точки Кюри объясняется тем, что при этой температуре происходит перестройка кристаллической структуры, и даже слабое внешнее поле вызывает значительную индуцированную поляризацию.

Исследования показали, что вблизи точки Кюри диэлектрическая проницаемость подчиняется закону Кюри-Вейса:

C, T где: C – постоянная (для керамических сегнетоэлектриков C 10 5 K ) T – температура сегнетоэлектрика,

– температура Кюри.

В силу нелинейных зависимостей поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности поля сегнетоэлектрики относятся к классу нелинейных элементов. В настоящее время сегнетоэлектрики используются для создания малогабаритных конденсаторов и нелинейных управляемых емкостных элементов – варикондов.

12000 ВК-1

–  –  –

Принцип действия лабораторной установки В настоящей работе с помощью электронного осциллографа снимается петля гистерезиса керамического сегнетоэлектрика "вариконд ВК-1". При этом используется следующая схема (рис. 5).

–  –  –

Приборы, необходимые для выполнения работы

1. Блок, в котором смонтирована схема с исследуемым сегнетоконденсатором. (рис. 6 и 7)

2. Электронный осциллограф.

3. Источник питания ИП ( f 50 Гц)

4. Вольтметр V переменного тока для измерения напряжения.

Порядок выполнения работы

1. Поставить переключатель П в положение I.

2. Включить осциллограф в сеть 220 В, вывести электронный луч в центр координатной сетки.

3. Включить источник питания в сеть 220 В.

4. С помощью ручки «регулировка напряжения» на источнике питания установить по вольтметру V напряжение соответствующее предельной петле гистерезиса (указано на установке).

5. С помощью ручек, обозначенных на осциллографе как “” и “”, расположить предельную петлю гистерезиса таким образом, чтобы она была симметрична относительно центра координатной сетки.

6. Измерить координаты вершины петли гистерезиса при максимальном напряжении в делениях координатной сетки. С целью повышения точности результата здесь и далее следует измерять отрезки 2x и 2 y (см. рис. 3 и 8).

7. Измерить по этой петле координаты 2 xкоэр и 2yост, соответствующие удвоенной коэрцитивной силе и удвоенной остаточной поляризации, в делениях координатной сетки (результаты занести в таблицу 2).

–  –  –

8. Наложить прозрачную бумагу на экран осциллографа и зарисовать петлю гистерезиса.

Не снимая бумаги с экрана осциллографа, перевести переключатель «П» в положение II, затем в положение III и нанести на тот же лист бумаги горизонтальную и вертикальную оси.

9. Снова поставить переключатель «П» в положение I.

10. Постепенно уменьшая напряжение до нуля, получить на экране осциллографа последовательность частных петель гистерезиса. Измерить для каждой из них координаты вершин ( 2x и 2 y ).

11. Результаты занести в таблицу 1.

–  –  –

и 5).

2. Вычислить значения E и P по формулам (6) и (7) для координат вершин всех полученных петель гистерезиса.

3. По полученным данным построить основную кривую поляризации, откладывая по оси абсцисс – значения E в В/м, а по оси ординат – значения P в Кл/м2.

4. Вычислить значения Eкоэр и Pост, пользуясь формулами (6) и (7), где x xкоэр и y yост.

–  –  –

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление поляризации диэлектриков? Какой величиной характеризуют поляризационные свойства веществ? Расскажите о доменном характере поляризации сегнетоэлектриков.

2. Дайте определение вектора поляризации. Как он связан с поверхностной плотностью связанных зарядов?

3. В чем физический смысл диэлектрической проницаемости ?

4. Какими отличительными свойствами обладают сегнетоэлектрики?

5. Каковы Ваши представления о природе спонтанной поляризации сегнетоэлектриков?

6. Как величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков зависит от температуры? Нарисуйте график этой зависимости.

7. В чем состоит явление гистерезиса, наблюдаемое для сегнетоэлектриков? Нарисуйте семейство петель гистерезиса. Что такое предельная петля гистерезиса?

8. Какие параметры сегнетоэлектриков можно определить с помощью петли гистерезиса?

9. Вывести формулу зависимости напряжения на пластинах осциллографа Uy от поляризации P для сегнетоэлектрика, U x – от напряженности E переменного поля.

–  –  –

коэффициентов?

Литература

Похожие работы:

«Журнал "Мобильные телекоммуникации", №2, 2006 ЕЩЕ ОДИН ВЗГЛЯД НА NGN: МОБИЛЬНАЯ КОНВЕРГЕНЦИЯ Александр Гольдштейн, Александр Атцик, к.т.н., СПбГУТ, ЛОНИИС Отставание СПС Конвергенция! Как много в этом слове. Конвергенция сетей связи, конвергенция традиционных и новых Инфокоммуникационных услуг,...»

«Шри Ауробиндо Шри Ауробиндо. Письма о Йоге – II Серия "Шри Ауробиндо. Собрание сочинений", книга 21 Текст предоставлен издательством "Адити" http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=8954488 Шри Ауробиндо. Письма о йоге – II: Адити; Санкт-Петербург; ISBN 5-7938-0029-8 Аннотация В настоящем томе дается подробное описание строен...»

«тельных нервов". В 1907 г. В.К. фон Анреп избран по первому разряду городских избирателей в III Государственную думу как член Союза 17 октября в Санкт-Петербурге. В Думе вошел в бюджетную комиссию и в комиссию по народно...»

«Всё о попугаях Илья Мельников Кормление попугаев "Мельников И.В." Мельников И. В. Кормление попугаев / И. В. Мельников — "Мельников И.В.", 2011 — (Всё о попугаях) ISBN 978-5-457-22506-0 Важнейшим условием для успешного содержания и разведения птиц является правильная организация...»

«Социологическое наследие К110-летию со дня рождения П. А. Сорокина © 1999 г. П.А.СОРОКИН УСЛОВИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ МИРА БЕЗ ВОЙНЫ Pitirim A. Sorokin. The conditions and prospects for a world without war. The American Journal of Sociology. Chicago. Chicago university press. March 1944. Vol. XLIX....»

«Acta BalticoSlavica, 40 Warszawa 2016 DOI: 10.11649/abs.2016.006 Елена Коницкая Вильнюсский университет Вильнюс Бируте Ясюнайте Вильнюсский университет Вильнюс Метафоры утренней и вечерней зари в литовской и русской поэзии Утренняя и вечерняя заря, восход и закат – яркие природные явления, всегда будившие фантазию человека. Их объединяет...»

«ПОЛИТИКА РЕГУЛИРОВАНИЯ ИММИГРАЦИОННЫХ ПОТОКОВ И ИНТЕГРАЦИИ ИММИГРАТНОВ В ВЕДУЩИХ ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАНАХ Т.С. Соколова1 Ключевые слова: иммигранты, иммиграционная политика, интеграция, социальные конфликты, политическое развитие. Keywords: immigrants, immigration policy, integration, social conflicts, political...»

«Обзор рынка мобильного ритейла в России в 3 квартале 2012 Рынок мобильных телефонов в России в 3 квартале 2012 года (оценка Розницы МТС) По результатам 3 квартала 2012 года объем рынка телефонов в России в натуральном выражении достиг 11,7 млн аппаратов, что на 2,3% бол...»

«ВСЕРОССИЙСКАЯ ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ 2015/16 гг. МУНИЦИПАЛЬНЫЙ ЭТАП ЛИТЕРАТУРА 10 КЛАСС Инструкция по выполнению задания Уважаемый школьник! Выполняя задания, внимательно читай вопросы. Пиши ответы аккуратным, разборчивым почерком. Задания м...»








 
2017 www.doc.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.