Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема опытной установки изображена на рис. 2.

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. Заряды на этих конденсаторах одинаковы и пропорциональны напряжению:

(1)

Величина этого заряда определяет модуль вектора электрического смещения в сегнетоэлектрике:

. (2)

Здесь – площадь обкладок конденсатора.

Подставив (1) в (2), находим

. (3)

Напряженность электрического поля в сегнетоэлектрике равна отношению напряжения на нелинейном конденсаторе к толщине слоя сегнетоэлектрика :

. (4)

Поляризованность сегнетоэлектрика определится выражением

(5)

Формулы (4) и (5) являются расчетными для нахождения зависимости .

При работе схемы напряжение подаётся на вертикальный вход электронного или виртуального осциллографа, а - на горизонтальный. На экране осциллографа появляется зависимость соответствующая кулон-вольтовой характеристике нелинейного конденсатора. По ней можно рассчитать поляризационную характеристику , используя формулы (4) и (5).

Нагревание конденсатора осуществляется специальным резистором от регулируемого источника постоянного напряжения. Регулирование нагрева можно осуществлять как вручную, так и автоматически с помощью виртуального прибора «Термометр/термостат» и миниблока «Электронный ключ». Измерение температуры производится с помощью термопары мультиметром или виртуальным термометром.

Точка Кюри диэлектрика конденсатора К10-17 лежит в области отрицательных температур, поэтому в данной работе она не определяется.

Снять экспериментально кулон-вольтовую характеристику нелинейного конденсатора при различных температурах. При одном из значений температуры рассчитать и построить поляризационную характеристику диэлектрика , и зависимость относительной диэлектрическй проницаемости от напряжённости электрического поля , приняв площадь поверхности обкладки конденсатора мм² и толщину изоляции мм.

Порядок выполнения эксперимента

1. Соберите лабораторную установку согласно монтажной схеме, изображенной на рис. 3. Установите пределы измерения вольтметра V0=100B, вольтметра V1=20В.

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.

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 к Гц максимальной амплитуды.

5. Убедитесь, что на виртуальном осциллографе появилось изображение примерно одного периода двух сигналов: кривая белого цвета соответствует изменению напряжения на нелинейном конденсаторе , кривая зелёного цвета – изменению напряжения на линейном конденсаторе . При необходимости сместите изображение по горизонтали, в центр экрана.

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 (канал 1), а на вход Y – напряжение (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 таблицу 1 амплитуды напряжений на линейном конденсаторе – и на нелинейном – .

9. Рассчитайте поляризационную характеристику диэлектрика и зависимость . Выберите масштабы и постройте графики.

10. При максимальном значении амплитуды приложенного напряжения перерисуйте кулон-вольтовую характеристику конденсатора в отчёт или сделайте копию экрана осциллографа.

11. 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.

12. Сделайте выводы по работе и запишите их в отчет.

Таблица 1

, B	, В	, B/м	, Кл/м^2		, B/м
0
10
20
30
40
50
60
70

Контрольные вопросы

1. Какое явление называется поляризацией диэлектрика? Какой физический смысл имеет поляризованность (вектор поляризации)?

2. Какие величины называют диэлектрической восприимчивостью и диэлектрической проницаемостью вещества? Как связаны эти величины?

3. Как связаны электрическое смещение, напряжённость электрического поля в диэлектрике и его поляризованность?

4. Какие виды диэлектриков вам известны?

5. Какие вещества относят к сегнетоэлектрикам? Каковы их характерные свойства?

6. Опишите кратко явление гистерезиса в сегнетоэлектрике. Какая кривая называется петлёй гистерезиса?

7. Как вы думаете, от чего зависит диэлектрическая восприимчивость и проницаемость сегнетоэлектрика?

8. В чём состоит причина особых свойств сегнетоэлектриков?

9. Назовите практические применения сегнетоэлектриков.

10. Почему в сегнетоконденсаторах используют материалы с максимально узкой петлей гистерезиса?