РАБОТА №5 ИЗУЧЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА

Цель работы:	Наблюдение петли гистерезиса сегнетоэлектрика и определение ее параметров при различных температурах
Приборы и принадлежности:	комплекс ЛКТ-3, осциллограф

ВВЕДЕНИЕ

Молекулы всякого диэлектрического тела, помещенного в электрическое поле, поляризуются, т.е. приобретают дипольный момент. Сумма дипольных моментов молекул в единице объема называется вектором поляризации. В большинстве диэлектриков вектор поляризации P связан линейным соотношением с напряженностью электрического поля в диэлектрикеE:

P=e₀cE (1)

где c – электрическая восприимчивость диэлектрика, e₀=0,885×10^‑11ф/м – электрическая постоянная. Однако, существует класс кристаллических диэлектриков, поляризованность которых отлична от нуля и в отсутствие электрического поля. Такие диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью называются сегнетоэлектриками. Величина вектора спонтанной поляризации сегнетоэлектрика зависит от температуры. С повышением температуры она уменьшается и при достижении сегнетоэлектриком определенной температуры Т_с, называемой температурой Кюри, спонтанная поляризованность исчезает. Спонтанная поляризованность в сегнетоэлектриках обычно не бывает однородной, т.е. в кристалле возникает ряд областей (чаще всего слоев) с различными направлениями поляризованности. Возникновение таких областей, называемых доменами, объясняется тем, что состояние кристалла со многими доменами оказывается энергетически более выгодным, то есть обладает меньшей энергией, нежели состояние, когда весь кристалл представляет собой один домен. При этом дипольный момент кристалла в целом оказывается равным нулю.

Наличие доменов в сегнетоэлектриках приводит к тому, что величина вектора поляризации кристалла P неоднозначно зависит от величины электрического поля E в кристалле (см. рис. 1а). Объясняется эта зависимость тем, что изменение поляризованности сегнетоэлектрика при увеличении напряженности электрического поля связано с изменением размеров доменов. Те домены, в которых угол между векторамиPи E острый – растут, другие, в которых этот угол тупой, – уменьшаются. Не исключено также появление новых доменов с направлением вектора поляризации близкой к направлению поля и исчезновение доменов с поляризованностью встречной полю. Этот процесс носит необратимый характер, поэтому при снятии внешнего поля кристалл остается поляризованным. Величина этой поляризованности носит название остаточной. Чтобы полностью уничтожить поляризованность, необходимо создать в кристалле поле противоположного направления по сравнению с направлением поляризации. Величина этого поля Е_с носит название коэрцитивной силы. Зависимость Р от Е, изображенная на рис. 1а), называется петлей гистерезиса.

Поскольку по определению вектора индукции D, он связан с векторами напряженности E и поляризации Pлинейным соотношением:

D=e₀E+P,

то величина индукции D также неоднозначно связана с напряженностью, и график зависимости D от E также будет иметь вид петли (см. рис. 1 б)

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика очень велика (e~10³‑10⁴), кроме того, она зависит от температуры. Вблизи температуры Кюри диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от температуры по закону Кюри:

(2),

обращаясь в бесконечность при T = T_c (см. рис. 2а).

В (2) значение константы при T<T_c отличается от ее значения при T>T_c.

Заметим, что , т.е. эта величина обращается в нуль в точке Кюри. При этом вблизи температуры Кюри график зависимости 1/e от температуры линеен (см. рис. 2б).

Отметим, что переход диэлектрика из сегнетоэлектрического состояния в несегнетоэлектрическое является фазовым переходом, в котором происходит изменение структуры кристаллической решетки.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Рис. 3

Изучение сегнетоэлектрика производится на лабораторном комплексе ЛКТ-3, изображенном на рис. 3.

Все элементы комплекса размещены на двух этажах каркаса (поз.1 рис. 3). Нижний этаж служебный, в нём размещена измерительная система ИСТ – 2М (поз. 2 рис. 3) и приборный блок (поз. 3 рис. 3)

Верхний этаж – рабочая зона. В нём размещена печь – термостат с теплоизолирующим кожухом. На задней стенке ИСТ-2М установлен разъем сетевого питания, предохранители на 1А и сетевая розетка 220 В.

Назначение ИСТ-2М

Измерительная система ИСТ-2М, передняя панель которой представлена на рис. 4 выполняет следующие функции:

· Электропитание устройств для термодинамических измерений (нагреватели, электроника, вспомогательные элементы).

· Управление температурой изучаемых объектов, в частности термостатирование – режим позволяющий поддерживать заданную температуру печи.

Назначение различных элементов управления системы приведены ниже.

СЕТЬ	тумблер включения сети.
H1	4 -разрядный цифровой индикатор. Его свечение свидетельствует о включении питания прибора. Показания индикатора определяются тем, какая из кнопок переключателей нажата
Переключатели:
Uн	напряжение питания нагревателя, в вольтах
Iн	ток питания нагревателя, в миллиамперах
Т1	температура подключенного к системе датчика Д1 в °С с разрешением 0,1 градуса
Т2	температура подключенного к системе датчика Д2 в °С с разрешением 0,1 градуса
UBX	действующее значение синусоидального переменного напряжения, поданного на разъем ВХ, с разрешением 1 мВ и пределом измерения 2В
ТЕРМОСТАТ	разъем термостата.
ТЕМПЕР 40...80...120	ручка регулировки максимальной температуры датчика в пределах 40-120°С
НАГРЕВ 0...10...20	ручка регулировки напряжения питания нагревателя в пределах от 0 до 20 В.
ВКЛ	Тумблер включения нагревателя. При поднятой рукоятке включен ТВЭЛ устройства, подключенного к разъему ТЕРМОСТАТ, и подается на­пряжение на гнезда НАГР.
Н2, НЗ	индикаторы режима работы термостата.
АМПЛИТУДА	ручка регулировки выходного напряжения изолированного источника питания.
=/»	тумблер переключения вида выходного напряжения: -вниз, постоянное -вверх переменное с частотой 1-2 кГц. При среднем положении рукоятки питание отключено.
НАГР и ОБЩ	выход источника питания нагревателя, параллельный выведенному на разъем ТЕРМОСТАТ. Полярность: ОБЩ ® «-», НАГР ® « + «
-/~, +/~	выходы изолированного источника питания.

Рис. 4

Регулировка температуры осуществляется следующим образом.

· Если температура подключенного к системе и выбранного для измерений датчика ниже установленной регулятором «ТЕМПЕРАТУРА» то нагреватель включен, о чем свидетельствует свечение зеленого индикатора Н2.

· Если температура подключенного к входу Д1 датчика приближается к установленной регулятором «ТЕМПЕРАТУРА», то включается автомат управления температурой, и напряжение на нагревателе снижается: система переходит в режим термостатирования. При этом светятся два индикатора: зеленый Н2 и красный НЗ. Выход на режим термостатирования легко определить по прекращению роста температуры объекта. Режим термостатирования реализуется, только если датчик нагреваемого объекта подключен к входу Д1 или через разъём «ТЕРМОСТАТ».

· Если температура датчика Д1 выше установленной регулятором «ТЕМПЕРАТУРА», то нагреватель отключен, и светится только красный индикатор НЗ. Система переходит в режим термостатирования при остывании объекта.

ПЕЧЬ–ТЕРМОСТАТ(рис. 5) состоит из плиты, установленной на основании прибора 6, и окруженной теплоизолирующим кожухом 1. В плиту встроены два тепловыделяющих элемента (ТВЭЛ) и датчик температуры. Плита может охлаждаться встроенным вентилятором.

Сопротивление ТВЭЛ печи равно 10 Ом, максимальное напряжение питания – 20 В, максимальная мощность – 40 Вт.

Рис. 5

Изучаемый (нагреваемый) объект 8 устанавливается на плите и прижимается к

ней стержнем 9 с помощью двух пружин 10. Пружины прицеплены к двум штырям 11 и при необходимости могут быть сняты. На объект надевается теплоизолирующий кожух (на рис. 5 не показан).

Через разъем 12 модуль подключается к ИСТ-2. Тумблер «ВЕНТ» включает вентилятор. Гнезда «H1» и «Н2» включены параллельно нагревателю и используются для измерения напряжения на нагревателе при необходимости точного определения выделяемой в нагревателе мощности (вольтметр измерительной системы ИСТ-2 не учитывает падение напряжения на проводах кабеля, что приводит к небольшой погрешности в определении мощности).

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ(рис.6) предназначены для изучения электрических и магнитных свойств материалов в диапазоне температур. Внешний вид модуля представлен на рис. 6 а). Исследуемые образцы 1 (рис. 8 б) закреплены на плате 2 и размещены в тигле 3. Контакты образцов подключены к гнездам 4, через которые образцы подключаются к внешним устройствам. Плата прижата крышкой 5. На плате нанесена маркировка, по которой различаются модули. Место маркировки (вид сверху) и принятая нумерация гнезд показаны на рис. 8 в). Тигель размещается на печи термостата, закрывается теплоизолирующим кожухом и прижимается к печи стержнем с пружинами. Для лучшего теплового контакта тигля с печью на поверхность печи наносят 2-3 капли глицерина. Для лучшего теплового контакта образца с тиглем в тигель залит парафин.

КОМПЛЕКТ КАБЕЛЕЙ (рис. 7) обеспечивает необходимые соединения при сборке схем.

Кабель К01	Кабель К02	Кабель К03
	Рис. 7

Кабель К01 используется для соединения разъемов источника питания с контактами модуля; кабель К02 используется для подключения осциллографа к исследуемому модулю (конец «А» подключается к выходному разъему осциллографу, конец «Б» к исследуемому модулю); кабель К03 используется для подключения разъема «термостат» с аналогичным разъемом печи (поз. 12 рис. 5).

МОДУЛЬ «СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК» (маркировка «С»)

Электрическая схема модуля «Сегнетоэлектрик» показана на рис. 8, внешний вид – на рис. 9.

Модуль содержит:

· конденсатор С, заполненный изучаемым диэлектриком (сегнетоэлектриком),

· измерительный (эталонный) резистор R₀=3,0 кОм,

· интегрирующий конденсатор С₀ =1,0 мкФ,

Рис. 8

· повышающий трансформатор L₁/L₂, отношение чисел витков обмоток которого N₂/N₁=4. При подаче на контакты 4—5 переменного напряжения амплитудой до 20 В от изолированного источника питания ИСТ, на контактах 4—2 получаем напряжение до 100 В.

Параметры исследуемого конденсатора с сегнетоэлектриком следующие:

· площадь обкладок конден­сатора S=2,0 см²,

· толщина слоя сегнетоэлектрика d = 0,45 мм.

Сравнивая напряжения на исследуемом конденсаторе и эталонном резисторе, определяют емкость конденсатора, и тем самым – диэлектрическую проницаемость в диапазоне температур.

Частота колебаний напряжения источника питания n=1038 Гц.

Конденсатор С₀ нужен для наблюдения петли гистерезиса сегнетоэлектрика на экране осциллографа.