- •Электромагнетизм Лабораторный практикум по физике ч а с т ь 2
- •Лабораторная работа № 14 Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков
- •Краткие сведения из теории
- •Приборы и оборудование
- •Метод измерения
- •Порядок выполнения работы
- •Задание 1. Определение тангенса угла диэлектрических потерь
- •Задание 2. Определение остаточного смещения , коэрцитивного поля и спонтанной поляризации насыщения
- •Задание 3. Получение основной кривой поляризации и изучение зависимости
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 15 Определение отношения заряда электрона к его массе методом магнетрона
- •Краткие сведения из теории
- •Приборы и оборудование
- •Метод измерения
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Приборы и оборудование
- •Метод измерения
- •Порядок выполнения работы Задание 1. Определение зависимости магнитной индукции в средней точке на оси соленоида и тарировка датчика Холла
- •Задание 2. Исследование зависимости индукции магнитного поля от координаты z, отсчитываемой от средней точки
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №17 Изучение явления взаимной индукции
- •Краткие сведения из теории
- •Приборы и оборудование
- •Метод измерения
- •Порядок выполнения работы Задание 1. Измерение коэффициентов взаимной индукции m21 и m12 и исследование их зависимости от взаимного расположения катушек
- •Задание 2. Измерение м21 при различных значениях амплитуды питающего напряжения
- •Задание 3. Измерение м21 при различных частотах питающего напряжения
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №18 Определение работы выхода электронов из металла
- •Краткие сведения из теории
- •Приборы и оборудование
- •Метод измерения
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №19 Изучение процессов заряда и разряда конденсаторов
- •Краткие сведения из теории
- •Приборы и оборудование
- •Порядок выполнения работы
- •Задание 1. Изучение кривых заряда и разряда конденсатора
- •Задание. 2. Построение кривой разряда конденсатора в логарифмическом масштабе
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №20 Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре
- •Краткие сведения из теории
- •Приборы и оборудование
- •Порядок выполнения работы Задание 1. Измерение периода, логарифмического декремента и параметров l, с, r колебательного контура
- •Задание 2. Исследование фазовых кривых
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №21 Изучение вынужденных колебаний в колебательном контуре
- •Краткие сведения из теории
- •Метод измерения
- •Приборы и оборудование
- •Порядок выполнения работы
- •Задание 1. Снятие резонансных кривых
- •Задание 2. Определение зависимости резонансной частоты от емкости с
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 22 Изучение электрических колебаний в связанных контурах
- •Краткие сведения из теории
- •Приборы и оборудование
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Электромагнетизм
- •190005, С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1
Приборы и оборудование
ФПЭ-02 – модуль, PV – цифровой вольтметр, PO – осциллограф.
На рис. 14.6 приведена структурная схема, а на рис. 14.7 – принципиальная электрическая схема, с помощью которой изучаются свойства сегнетоэлектриков.
Рис. 14.6
Схема на рис. 14.7 собрана в модуле ФПЭ-02. На передней панели модуля имеются: ручка «рег. » потенциометраR3; гнезда «PV» для подключения вольтметра; гнезда «PO» («Y» «X» «») для подключения осциллографа.
Рис. 14.7
От источника питания на схему поступает напряжение сети ~220 В, 50 Гц. Напряжение, снимаемое со вторичной цепи понижающего трансформатора Т (220/100), через потенциометр R3 подается на делитель напряжения, состоящий из сопротивлений R1 и R2. Параллельно делителю R1, R2 включены последовательно два конденсатора, образующие емкостной делитель: исследуемый керамический сегнетоэлектрический конденсатор С1 и эталонный конденсатор C2. Вольтметр PV обеспечивает измерение величины напряжения, подаваемого.на делители R1, R2 и С1, С2.
Осциллограф РО служит для наблюдения и изучения поляризации сегнетоэлектрического конденсатора С1 при подаче на него переменного гармонического напряжения.
Метод измерения
На вертикально отклоняющиеся пластины осциллографа с эталонного конденсатора подается напряжение , равное:
(14.13)
Так как С1 и С2 соединены последовательно, то они имеют одинаковый заряд q () на обкладках. Величина этого заряда может быть выражена через электрическое смещениеD поля в исследуемом конденсаторе С1:
откуда
(14.14)
где – поверхностная плотность заряда на обкладках конден-сатораС1; – площадь,d – диаметр обкладок конденса-тора С1.
С учетом (14.14) напряжение
(14.15)
На горизонтально отклоняющиеся пластины подается напряжение , снимаемое с сопротивления:
(14.16)
Это напряжение, как видим, составляет часть полного напряжения , подаваемого на делитель напряженияR1, R2, а значит, и на емкостной делитель С1, С2. Емкости С1 и С2 подобраны таким образом, что С1<<С2. Поэтому с достаточной степенью точности (~) можно считать, что практически все напряжениеU, снимаемое с потенциометра R3, на емкостном делителе приложено к сегнетоэлектрическому конденсатору С1. Действительно, так как а, то, а . Тогда, полагая электрическое поле внутри конденсатора C1 однородным, имеем
(14.17)
где Е – напряженность электрического поля в пластине сегнетоэлектрика; h – толщина этой пластины.
С учетом (14.17) напряжение Uх можно представить в виде
(14.18)
Таким образом, в данной электрической схеме на вертикально и горизонтально отклоняющиеся пластины осциллографа одновременно подаются периодически изменяющиеся напряжения, пропорциональные соответственно электрическому смещению D и напряженности поля Е в исследуемом сегнетоэлектрике, в результате чего на экране осциллографа получается петля гистерезиса (см. рис. 14.3).
Выражения (14.15), (14.17) и (14.18) позволяют найти смещение D и напряженность E электрического поля в сегнетоэлектрике, если предварительно определены величины , и . Напряжение определяется по показанию вольтметра РV. Напряжения иизмеряются с помощью осциллографа и рассчитываются по формулам
, (14.19)
(14.20)
где у, х – отклонения электронного луча на экране осциллографа по осям Y и Х соответственно; Ку, Кх – коэффициенты отклонения каналов Y и X осциллографа.
Учитывая (14.19) и (14.20), из (14.15) и (14.18) получим
(14.21)
(14.22)
Кроме того, из (14.17) следует, что амплитудное значение напряжения электрического поля в диэлектрике Е0 определяется по формуле
(14.23)
где U – эффективное значение напряжения, измеряемое вольтметром PV.
Для напряженности поля получили две формулы: формула (14.22) используется для определения текущего, а (14.23) –амплитудного значения напряженности поля в сегнетоэлект- рике.
Применим полученные соотношения для нахождения тангенса угла диэлектрических потерь в сегнетоэлектрике и исследования зависимости
Подставляем в (14.12) выражения (14.21) и (14.22):
, (14.24)
где – площадь петли гистерезиса в координатахх, у; х0, у0 – координаты вершины петли гистерезиса.
Для измерения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика используем тот факт, что основная кривая поляризации (кривая ОАВ на рис. 14.3) является геометрическим местом точек вершин циклов переполяризации, полученных при различных максимальных значениях Е0 напряженности поля в образце. Для каждой ее точки можем записать соотношение (14.5) в виде , гдеD0, E0 – координаты вершин циклов переполяризации. Тогда, определив с помощью формул (14.21) и (14.23) значения D0 и E0 вершин нескольких циклов, можно из (14.5) найти значения при различных значенияхЕс:
(14.25)
и изучить зависимость .