2.6. Зависимость .Диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры окружающей среды.

Ранее было показано, что процесс переориентации электриче­ских моментов- доменов связан с переходом ионов титана от одного иона кислорода к другому, т.е. с преодолением потенциального барьера ∆W (рис. 2.3,б). Этот энергетический барьер может быть преодолен как с помощью внешнего электрического поля, так и за счёт тепловой энергии.

Рассмотрим зависимость диэлектрической проницаемости от температуры в слабых электрических полях (рис.2.8).

При повышении температуры окружающей среды увеличивается кинетическая энергия иона титана, и он легче перемещается из од­ного устойчивого состояния в другое по направлению вектора напряжённости поля, чем при низких температурах. Поэтому при по­вышения температуры окружающей среды всё большее число ионов титана смещается по направлению поля, при этом увеличивается поляризованность, растёт ε (участок 1, рис. 2.8). При температуре Кюри происходит перестройка кристаллической решётки (см. 2.1). Выше точки Кюри тепловое движение ионов титана в решётке возрастает настолько, что всё больше препятствует направленному

смещению ионов титана по вектору напряжённости поля. В связи с этим уменьшается поляризованность вещества, а значит и ε (участок 2 рис. 2.8.), В точке Кюри значение диэлектрической проницаемости проходит через максимум.

Рис. 2.8. Зависимость диэлектрической проницаемости от - температуры

3. Экспериментальная часть

3.1. Описание установки для исследования сегнетоэлектриков

В данной работе для изучения сегнетоэлектриков используется осциллографический метод. На экране осциллографа при использовании соответствующей схемы можно получить зависимость поляризованности кристалла от напряжённости внешнего поля. Прин­ципиальная схема установки представлена на рис. 3.1.

Установка питается от сети 220 В через понижающий трансформатор Т. Напряжение со вторичной обмотки трансформатора через делитель (на макете ручки ГРУБО и ТОНКО) подаётся на ис­пытуемый конденсатор Cх и эталонный конденсатор Сэ, включённые последовательно. Причём ёмкость у эталонного конденсатора должна во много раз превышать ёмкость испытуемого (Сэ>>Сх).

Рис.3.1.Принципиальная схема установки

Напряжение U_з, снимаемое с эталонного конденсатора (на схеме с клемм «а» и «а»), подаётся на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. Т.к. испытуемый конденсатор Сх и эталонный Сэ включены последовательно, то их заряды равны (q_n=q₀). Следовательно, UэCэ=UхCх, откуда

Таким образом вертикальное отклонение луча на экране осциллографа пропорционально заряду q_x конденсатора Сх. На горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подаётся напряжение U (на макете с клемм «б» и «з»). Поскольку ёмкость эталонного конденсатора Сэ много больше ёмкости испытуемого конденсатора (Cэ>>Cх), то Uх>>Uэ и можно принять Ux≈U. Следовательно, горизонтальное отклонение электронного луча пропорционально напряжению, приложенному к испытуемому конденсатору Сх.

Напряжение U и Uэ измеряется ламповыми милливольтметрами. Примечание. Всё, что на схеме обведено пунктиром (рис.3.1), находится в макете. На верхней панели макета, имеются ручки регулировки напряжения ГРУБО и

ТОНКО, клеммы «а», «б», и «з» (земля) и клеммы для подключения измерительных приборов (mV, V). Ёмкость эталонного конденсатора Сэ=0,25 мкФ.

В основу расчётов положено равенство зарядов на обкладках исследуемого и эталонного конденсаторов

Исследуемый сегнетоэлектрический конденсатор представляет собой пластинку сегнетоэлектрика о вожжёными электродами. Из формулы плоского конденсатора

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

ε₀ – 8,86*10^-12Ф/м – электрическая постоянная;

Sx – площадь электродов исследуемого конденсатора, м³;

d_x – толщина сегнетоэлектрической пластины, м.

3.2. Подготовка установки:

1. собрать по схеме установку для осциллографического исследования сегнетоэлектриков (рис. 3.1);

2. ручки регулировки напряжения (ГРУБО и ТОНКО) вывести влево;

3. подготовить для работы осциллограф, для чего:

переключатель ОСЛАБЛЕНИЕ поставить в положение I:I;

ручки АМПЛИТУДА СИНХРОНИЗАЦИИ, ЧАСТОТА, ПЛАВНО, ДИАПАЗОН ЧАСТОТ, а также УСИЛЕНИЕ ПО ГОРИЗОНТАЛЕ и УСИЛЕНИЕ ПО ВЕРТИКАЛЕ вывести в крайне левое положение;

включить в сеть вилку питания осциллографа и на лицевой панели осциллографа включить тумблер СЕТЬ;

после нагрева прибора в течение 5-10 минут, включить тумблер ЛУЧ и ручками ЯРКОСТЬ, ФОКУС, ОСЬ установить чёткое изображение пятна в центре экрана;

4. переключатель ПРЕДЕЛЫ лампового милливольтметра поста-

вить в положение 0. Включить в сеть 220В вилку питания прибора и на лицевой панели включить тумблер СЕТЬ.

3.3. Задание

3.3.1. Снять зависимость заряда несегнетоэлектрического, конденсатора от напряжения.

Подключить к клеммам «а» и «б» линейный конденсатор (слюдяной). Включить питание установки. Плавно повышая напряжение от 0 до 100В (через 10В), снять зависимость напряжения на эта­лонном конденсаторе (Uэ) от полного приложения напряжения (U). Рассчитать величину заряда q_к и построить зависимость q_к=f(U).

Данные занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1.

По полученным результатам построить график зависимости заряда q_к=f(U).

3.3.2. Снять зависимость заряда сегнетоэлектрического конденсатора от величины приложенного напряжения.

Подключить к клеммам макета сегнетоэлектрический конденсатор. Плавно повышая напряжение от 0 до 100 В (через 5 – 10В), снять зависимость Uэ от U. Рассчитать заряд сегнетоэлектрического конденсатора и диэлектрическую проницаемость. Данные занести в табл. 3.2.

По полученным данным построить графики зависимости q_x и ε от напряжения для сегнетоэлектрического конденсатора.

3.3.3. Снять зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры и определить точку Кюри.

Поместить сегнетоэлектрический конденсатор в печь. Конец термопары должен находиться рядом с конденсатором. Подать на конденсатор напряжение U=5-20В и включить нагрев. Провести измерение температуры от комнатной до температуры, при которой петля гистерезиса на экране осциллографа превратится в прямую линию. Рассчитать ε. Данные занести в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Построить график зависимости ε=f(T) и определить точку Кюри.

3.3.4. В процессе всей работы вести наблюдение за экраном осциллографа. Выяснить различие картин для слюдяного конденсатора и сегнетоэлектрического. Проследить за изменением петли гистерезиса в зависимости от напряжения и температуры. Объяснить все замеченные эффекты.

3.4. Контрольные вопросы

3.4.1. Какие вещества называются сегнетоэлектриками?

3.4.2. Какие процессы происходят в кристалле сегнётоэлектрика при переходе через точку Кюри?

3.4.3. Объясните зависимость поляризованности линейных диэлектриков от напряжённости электрического поля. Как зависит заряд слюдяного конденсатора от приложенного напряжения?

3.4.4. Объясните зависимость поляризованности сегнетоэлектриков от напряжённости электрического поля. Нарисуйте график зависимости заряда сегнетоэлектрического конденсатора от величины приложенного напряжения.

3.4.5. Объясните зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от напряжённости, приложенного переменного электрического поля.

3.4.6. Объясните зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, если измерения произведены в слабых электрических полях. Как изменится эта зависимость, если измерения провести в сильных электрических полях?

3.4.7. Расскажите принцип работ установки для осциллографического исследования сегнетоэлектриков. Как подбираются параметры схем?

ЛИТЕРАТУРА

1. Электрорадиоматериалы. Под ред. Тареева Б.М. -М.: Высшая школа, 1978.-336 с.

2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. -М.: Высшая школа, 1980.-406 с.

3. Плужников В.М. Диэлектрические усилители. -М.: Энергия, 1969. -320 с.

4. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. -М.: Энергия, 1973. -328 с.

150-200 Ротапринт ТИАСУРа