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 С_х. К нему последовательно присоединен эталонный конденсатор С_у. Напряжение, подаваемое на вход, равно сумме напряжений на каждом из конденсаторов:

 

.

 

Заряды на конденсаторах равны, т. к. конденсаторы соединены последовательно. Поскольку в схеме C_y >> C_x, то U_x >> U_y и U » U_x (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 С_х, C_y 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, C_x – сегнетоэлектрический конденсатор, С_y – 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 C_y, 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 n_o, n_н, n_к (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 Р_Н = (Е)).

9. Сделать выводы, обобщающие результаты лабораторной работы.