Описание экспериментальной установки
Петлю гистерезиса можно наблюдать на экране осциллографа, используя устройство, принципиальная схема которого показана на рис. 2.4.
Рис. 2.4.
Сегнетоэлектрик вставлен между пластинами конденсатора Сх. К нему последовательно присоединен эталонный конденсатор Су. Напряжение, подаваемое на вход, равно сумме напряжений на каждом из конденсаторов:
.
Заряды на конденсаторах равны, т. к. конденсаторы соединены последовательно. Поскольку в схеме Cy >> Cx, то Ux >> Uy и U » Ux (напряжение на входе приблизительно равно напряжению на сегнетоконденсаторе).
Напряженность электрического поля в образце равна:
,
где d – толщина образца.
Таким образом, на вертикальные пластины осциллографа подается напряжение пропорциональное напряженности внешнего поля, приложенного к сегнетоэлектрику. Заряды конденсаторов Сх, Cy равны:
.
В тоже время , где S - площадь пластин конденсатора, s- поверхностная плотность заряда на его пластинах. В слабых полях s = P, тогда , откуда:
.
Это напряжение подается на вход Y осциллографа. За один период переменного напряжения электронный луч опишет на экране осциллографа замкнутую кривую зависимости заряда на конденсаторе от приложенного к нему напряжения: q = f(U). И поскольку заряд пропорционален поляризации q=PS, а напряжение U пропорционально напряженности поля E, то наблюдаемая на экране осциллографа кривая изображает также зависимость поляризации образца от напряженности внешнего поля P = f(E), т.е. петлю гистерезиса. За одну секунду петля вырисовывается 50 раз (в соответствии с промышленной частотой переменного тока в сети). Поэтому на экране осциллографа она выглядит неподвижной.
Изменяя значения подаваемого напряжения, можно получить семейство петель гистерезиса и восстановить кривую первоначальной поляризации. Сняв параметры петли, можно рассчитать такие характеристики сегнетоэлектрика как поляризация насыщения, остаточная поляризация, коэрцитивная сила при определенных значениях внешнего напряжения. Включив нагреватель и увеличивая температуру образца, можно наблюдать уменьшение площади петли гистерезиса по мере повышения температуры. Полное вырождение петли в прямую - соответствует температуре Кюри данного сегнетоэлектрика. Измерение температуры осуществляется электронным термометром.
На рис. 2.5 представлена схема установки. Здесь R – потенциометр, которым можно менять напряжение в цепи, V – вольтметр, R1 и R2 – делитель напряжения, Cx – сегнетоэлектрический конденсатор, Сy – эталонный конденсатор, П – нагреватель, t0 – электронный термометр.
Рис. 2.5.
Порядок выполнения работы
1. Включить в сеть осциллограф и лабораторный стенд. С помощью ручек , установить изображение петли гистерезиса в центре экрана.
Рис. 2.6.
2. Выписать с лабораторного стенда значения Cy, S, d, необходимые для расчёта параметров сегнетоэлектрика, записать чувствительность осциллографа на входе «У».
3. Изменяя напряжение потенциометром R, получить на экране осциллографа 7 петель при различных значениях напряжения.
4. Для каждой из полученных петель определить величины отрезков no, nн, nк (см. рис. 2.6.) в делениях координатной сетки осциллографа и занести значения в таблицу в соответствующие колонки таблицы.
Таблица 2.1
№ | Uэфф,В | n,дел.шк. | Е, В/м | n0, дел.шк. | P0, Кл/м2 | nH, дел.шк. | Pн, Кл/м2 | nK, дел.шк. | ЕK, В/м |
5. Произвести расчеты параметров сегнетоэлектрика и внести их в таблицу 2.1. Все необходимые формулы см. в разделе «Обработка результатов измерений».
6. Зарисовать одну из петель, отметив на рисунке значения поляризации насыщения, остаточной поляризации и коэрцитивной силы.
7. Включить нагреватель ключом K2 и определить значение температуры Кюри для данного образца.
8. Построить кривую начальной поляризации (график зависимости РН = (Е)).
9. Сделать выводы, обобщающие результаты лабораторной работы.