Математика Электротехника Лабораторные по электронике Строительная механика Машиностроительное черчение Атомная энергетика Ядерные реакторы История искусства На главную

Лабораторные работы по электротехнике

Сегнетоэлектрики

Особую группу среди полярных диэлектриков составляют сегнетоэлектрики, которые обладают рядом разнообразных электрических свойств. Название этой группе дано по первому исследованному веществу – сегнетовой соли NaKCl4H4O6 × 4H2O , поляризационные характеристики которой изучались советскими физиками И.В. Курчатовым, П.П. Кобеко и др.

Свойства сегнетоэлектриков обусловлены особенностями их строения. Благодаря сильному взаимодействию частиц весь объем сегнетоэлектрика делится (в определенном температурном интервале) на отдельные макроскопические области – «домены», которые возникают самопроизвольно (спонтанно). Каждый домен поляризован, так как дипольные моменты его молекул ориентированы одинаково. Однако в отсутствие внешнего электрического поля поляризованность доменов различна и кристалл сегнетоэлектрика в целом дипольным моментом не обладает (рис.4). При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле сразу целые поляризованные области начинают ориентироваться вдоль поля. Происходит изменение самих доменов: растут наиболее выгодно ориентированные домены (случай острых углов между векторами поляризации P и напряженности внешнего электрического поля E ) за счет невыгодных (угол > 900). Кроме того, электрические моменты доменов поворачиваются в направлении поля, а также одновременно происходит образование и рост зародышей новых доменов с электрическими моментами, ориентированными вдоль поля.

 


Рис.4. Области самопроизвольной поляризации (домены) в сегнетоэлектриках и направ-ление в них вектора поляризации (поляризованности): а) - сегнетоэлектрик в целом неполяризован; б) - сегнетоэлектрик поляризован во внешнем электрическом поле.

Зависимость поляризованности P сегнетоэлектрика от напряженности внешнего поля носит необратимый характер в отличие от обратимости функции P = f (E) для всех других типов диэлектриков.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков аномально высока (e » 104), зависит от напряженности внешнего электрического поля (рис.5) и температуры.

 
 


Рис. 5. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от

напряженности внешнего электрического поля при 20 0С.

В настоящей работе в качестве диэлектрика исследуется вариконд – сегнетоэлектри-ческий конденсатор с резко выраженными нелинейными свойствами, обладающий большой емкостью, малыми размерами, ограниченным диапазоном рабочих частот и температур, а также высоким значением диэлектрических потерь. Вариконд - сегнетоэлектрический конденсатор находится в составе кассеты ФПЭ-02.

Выполнение измерений Задание. Определение полной поляризованности Pn , остаточной поляризованности  P0 и коэрцитивной силы EК.

Электричество и постоянный ток Электричество – это понятие, которое охватывает всю совокупность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие электрических зарядов. Науку, изучающую эти явления, называют наукой об электричестве.

Электростатическое поле и его напряженность. Электрические заряды, находясь, даже на большом расстоянии друг от друга, взаимодействуют между собой. Такое взаимодействие может осуществляться только посредством поля, в данном случае - электрического. Каждое заряженное тело окружено таким полем. Если заряженное тело неподвижно, то окружающее его поле называется электростатическим.

Электростатическое поле электрического диполя. Электрический диполь - система двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных зарядов +q и -q, расстояние l между которыми мало по сравнению с расстоянием до исследуемых точек поля. Прямая, проходящая через оба заряда, называется осью диполя.

Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда. При перемещении заряда в электростатическом поле, действующие на заряд кулоновские силы, совершают работу.

Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.

Явление гистерезиса

Для сегнетоэлектриков характерно явление диэлектрического гистерезиса («гистерезис» по-гречески означает «запаздывание»), чем и обусловлена необратимость поляризации. График зависимости поляризованности от напряженности внешнего электрического поля представлен на рис.6. С ростом напряженности поля поляризованность кристалла увеличивается от 0 до Pn , что соответствует участку кривой ОА В точке А сегнетоэлектрик «насыщен». В этом случае (рис.6) поляризованность всех доменов сориентирована по направлению внешнего электрического поля.

 


 


 Рис.6. Петля диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрике

Последующее увеличение E (отрезок АВ) соответствует линейному росту P (угол a мал), обусловленному чисто электронной поляризацией. При снижении Eвнеш до точки Eа значение P убывает по прямой BA, а затем изменение P отстает от изменения E. При E = 0 сегнетоэлектрик остается поляризованным (P0 - остаточная поляризация). Для снятия последней к сегнетоэлектрику надо приложить противоположное по знаку поле. Напряженность этого поля ( -Eк ). называется коэрцитивной силой. Дальнейшее увеличение напряженности поля с обратной полярностью приведет кривую в точку A/, симметричную A. При увеличении напряженности электрического поля от – Ea до + Ea функция P = f (E) пройдет по кривой A/MA. Полученная замкнутая кривая называется петлей гистерезиса. Это петля предельного цикла (сплошная линия, рис.6). Если же при максимальной напряженности внешнего поля насыщения не достигнуто, то получится меньшая петля гистерезиса, называемая частным циклом (пунктирная линия, рис.6).

Петлю гистерезиса можно наблюдать, если подвести к образцу из сегнетоэлектрика с посеребренными поверхностями (сегнетоконденсатор) переменное напряжение. Часть электрической энергии в диэлектрике переходит в тепло и называется диэлектрическими потерями, которые принято характеризовать тангенсом угла диэлектрических потерь tgd. Если W0 - максимальная плотность энергии, запасенная в конденсаторе, Wт - энергия, перешедшая в тепло в единице объема диэлектрика за время одного периода, тогда

 (8)

Математический анализ параметров петли гистерезиса позволяет преобразовать формулу (8) в выражение:

,

где SГ - площадь петли гистерезиса в координатах  x, y;

 x0 и y0 - координаты вершины петли гистерезиса.


На главную