Министерство образования республики Беларусь

Белорусский национальный технический

университет

Кафедра физики

сегнетоэлектрики и их свойства

Методические указания к лабораторной работе по физике

для студентов строительных специальностей

Минск 2007

УДК 537.226 (076.5)

ББК 22.3я7

И 39

Составители: С.И. Петренко, Г.К. Савчук, Н.П. Юркевич

Рецензенты:.

В работе рассматривается поведение диэлектриков в электрическом поле. Кратко излагается теория электронной и ориентационной поляризации диэлектриков. Описываются свойства сегнетоэлектриков, их практическое применение, методика получения петли гистерезиса сегнетоэлектрика на экране осциллографа.

© БНТУ, 2007

Цель работы:1. Изучить поведение диэлектриков в электрическом поле;

2. изучить свойства сегнетоэлектриков;

3. измерить параметры сегнетоэлектрика по петле диэлектрического гистерезиса;

4. определить точку Кюри сегнетоэлектрика.

1. Электрический диполь. Полярные и неполярные диэлектрики.

Электрическим диполемназывается система из двух равных по величине и противоположных по знаку точечных зарядов +qи –q, расположенных на расстоянииlдруг от друга (рис. 1). Прямая линия, проходящая через оба заряда, называетсяосью диполя. Вектор, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между ними –плечом диполя. Вектор,совпадающий по направлению с плечом диполя, называется электрическим моментом диполя (дипольным моментом). В случае точечного диполя (т.е. когдаl<<r, гдеr– расстояние до рассматриваемых точек поля) напряженность поля, созданная такой системой зарядов прямо пропорциональнари обратно пропорциональнаr³

Диэлектрикаминазываются вещества, которые практически не проводят электрический ток. Их удельная электропроводность меньше 10^-5см/м. К диэлектрикам относятся некоторые твердые вещества (стекло, фарфор и др.), жидкости (химически чистая вода, СН₃Сl и др.), газы (N₂, H₂,CCl₄,NH₄и др.).

Диэлектрик называется однородным и изотропным, если все его свойства одинаковы в любой точке объема диэлектрика и по всем направлениям внутри диэлектрика.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки (например, NaCl). Сами же молекулы могут бытьполярнымиинеполярными. У полярных молекул центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, в результате чего они обладают собственным дипольным моментом. В целом в отсутствие внешнего электрического поля полярный диэлектрик дипольным моментом не обладает, так как вследствие теплового движения дипольные моменты отдельных молекул ориентированы в пространстве хаотично, и среднее значение проекции векторана любое направление равно нулю. К полярным диэлектрикам принадлежат Н₂О, СО₂,SiO₂,NH₄OH, спирты, глицерин.

Неполярные молекулы собственным дипольным моментом не обладают: у них центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают. Неполярными диэлектриками являются Н₂,N₂,O₂, ССl₄, нефтепродукты: бензин, керосин, минеральные масла, парафины и другие.

2. Виды поляризации диэлектриков в электрическом поле.

Поляризациейдиэлектрика называется переход его в такое состояние, когда внутри малого объемаVвещества геометрическая сумма векторов дипольных моментов молекул оказывается отличной от нуля.

Механизм явления поляризации различен для неполярных и полярных диэлектриков.

При внесении полярного диэлектрика в электрическое поле происходит ориентация диполей по направлению внешнего поля, так как на каждый диполь действует пара сили, стремящаяся повернуть его по направлению вектора напряженности(рис. 2). Силыисоздают вращающий момент.;;;.М= 0 при= 0, т.е. когда. Однако ориентирующему действию поля мешает тепловое движение молекул. В результате совместного действия обеих причин в диэлектрике возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул вдоль поля. Эта ориентация тем более полная, чем сильнее электрическое поле в диэлектрике и чем ниже температура. Описанный процесс называетсяориентационнойполяризацией.

В неоднородном поле на диполь, кроме момента сил , действует силаf(рис. 3) тем большая, чем больше градиент поля, т.е. чем сильнее неоднородность поля. Эта силаf перемещает диполь в область большей напряженности поля.

В неполярной молекуле под действием сил поля происходит деформация электронных орбит, в результате центры масс положительных и отрицательных зарядов перестают совпадать и молекула приобретает дипольный момент (рис. 4)

Дипольные моменты наводятся в таких молекулах всегда в направлении действующего электрического поля независимо от температуры диэлектрика и связанного с нею теплового движения. Поляризация неполярного диэлектрика называется электроннойилидеформационной.

В диэлектрических кристаллах типа NaClпри включении внешнего поля происходит сдвиг подрешеток отрицательных и положительных ионов в противоположные стороны. В результате появляется индуцированный дипольный момент молекулы. Такая поляризация называетсяионной.