Цель работы

1. Изучить физические явления в твердых диэлектриках, помещенных во внешнее электрическое поле, и свойства сегнетоэлектриков.

2. Определить электрические характеристики сегнетоэлектрика (коэрцитивную силу, остаточное смещение, точку Кюри) и получить зависимости электрического смещения и диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от величины внешнего электрического поля.

Литература

1. В.И. Савельев “Курс общей физики”, т.2, ч.1, гл. 2, §§15-23, с 60-84, 1988 г.

2. Т.И. Трофимова “Курс физики”, ч.3, гл.11, §§87-91,с.160-167, 2008 г.

Контрольные вопросы

1. Какие явления происходят в диэлектрике, помещенном в электрическое поле?

2.Что такое полярный диэлектрик, неполярный?

3.Виды поляризации.

4.Какая физическая величина служит количественной мерой поляризации диэлектрика и от чего она зависит?

5.Как влияет поляризация диэлектрика на величину напряженности электрического поля?

6.Каков физический смысл диэлектрической проницаемости среды?

7.Какова связь между электрическими параметрами: D и E ; P и E ; D , P , E ?

8.Что такое электреты? Эффекты в кристаллических диэлектриках?

9.Каков механизм поляризации сегнетоэлектрика во внешнем электрическом поле?

10.Как выглядит зависимость D = D(E) для обычного диэлектрика,

сегнетоэлектрика (графически)? Объяснить разницу. 11. В чем состоит явление гистерезиса? Дать объяснение.

12. Сформулировать понятия коэрцитивной силы, остаточной поляризации. Что такое точка Кюри? Закон Кюри-Вейсса.

13. Перечислить свойства сегнетоэлектриков и дать им объяснения. 14. Перечислить области техники для применения сегнетоэлектриков. 15. Объяснить принцип работы схемы установки.

16. Чему соответствует отклонение луча по оси "X" на экране осциллографа? По оси "У"? Почему? Как выводятся формулы для расчета масштаба осей "X" и "У"?

17. Объяснить метод расчета величин E и D в процессе эксперимента.

Приборы и принадлежности, используемые в работе

1. Осциллограф

2.Вольтметр

3.Трансформатор, сегнетоэлектрик, термометр, резисторы, электропечь, конденсаторы, выключатели, потенциометр - скомплектованы в блок.

Указания по технике безопасности к лабораторной работе № 225

Стенд для исследования свойств сегнетоэлектриков питается от сети переменного тока напряжением 220 В. Перед началом работы ознакомьтесь с заданием, правилами безопасности работ и используемым оборудованием.

Во время работы ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

1. Включать электрические цепи без предварительной проверки преподавателем или лаборантом.

2.Выполнять работу при поврежденных вилках и поврежденной изоляции наружных соединительных проводов.

3.Производить переключения в электрических цепях, находящихся под напряжением.

4.Оставлять без наблюдения приборы, находящиеся под напряжением.

ВВЕДЕНИЕ

В реальных условиях окружающей нас природы все известные вещества можно разделить на три вида: проводники, диэлектрики (изоляторы) и полупроводники.

Вещества, которые содержат свободные носители заряда, называют проводниками; вещества, в которых свободные носители отсутствуют,- это диэлектрики; вещества, у которых в обычных условиях свободных зарядов нет, но они появляются при их нагревании, облучении светом или другими видами энергии, называются полупроводниками.

Отсутствие свободных носителей внутри диэлектриков т. е. то, что они практически не проводят электрический ток, позволяет использовать их в качестве электроизоляционных материалов. Диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газообразными. В электрическом

где ε0 = 8,85 10−12 Ф/м - электрическая постоянная - размерная величина, согласующая

размерности левой и правой части уравнения; r - расстояние между точечными зарядами; ε - диэлектрическая проницаемость среды. Для вакуума ε =1. Для диэлектриков ε >1, следовательно, в соответствии с (1) сила взаимодействия в диэлектрической среде будет меньше в ε раз по сравнению с силой взаимодействия зарядов в вакууме при прочих равных условиях.

Материальным носителем взаимодействия является электрическое поле. Оно создается зарядами и действует на заряды. Одна из важных характеристик электрического

поля — напряженность Er . Напряженность поля Er определяется как отношение силы, действующей на точечный заряд q0 , помещенный в поле, к величине этого заряда. Er -

векторная величина, совпадает с направлением силы, действующей на заряд q0 , если этот

заряд положительный. Напряженность поля Er является силовой векторной характеристикой электрического поля. Для точечного заряда

Из формулы (2) видно, что напряженность поля Er в диэлектриках ослабляется в ε раз в сравнении с полем в вакууме при прочих равных условиях.

ВЕКТОРНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ ДИЭЛЕКТРИКА

В диэлектриках при обычных условиях все электрические заряды входят в состав атомов, молекул или ионов (в кристаллических твердых телах с ионной решеткой). Это сложные динамические системы, состоящие из большого числа электрических зарядов. Объяснить свойства диэлектриков гораздо проще, если считать положительные и отрицательные заряды, входящие в состав атомов или молекул, сосредоточенными в точках.

Для объяснения электрических свойств диэлектрика введем понятиецентра положительных и центра отрицательных зарядов его молекулы, считая при этом, что положительные и отрицательные заряды молекулы сосредоточены в этих точках. Такую молекулу можно представить как молекулу - "гантель" (рис.1).

Рис. 1. Модель диполя Систему из двух равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку

зарядов, находящихся на малом расстоянии l друг от друга, называют диполем с электрическим моментом

pr = qlr. (3)

r r

Величину l называют плечом диполя. p и l - векторы, они направлены от центра

отрицательных к центру положительных зарядов.

Дипольные моменты молекул определяют свойства диэлектриков.

Неполярный диэлектрик

Если центры положительных и отрицательных зарядов молекул в отсутствии поля совпадают, то вещество, состоящее из этих молекул, является неполярным диэлектриком. Неполярными диэлектриками являются H 2 , N2 , O2 , CCl4 , нефтепродукты: бензин, керосин,

минеральные масла, парафины и др. В неполярных диэлектриках плохо растворяются соли, но растворяются каучук, жиры. Жидкие неполярные диэлектрики смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

В электрическом поле неполярная молекула деформируется. Ее заряды смещаются под действием поля в противоположные стороны вдоль поля. Неполярная молекула под действием поляr приобретает наведенный электрический момент pr , пропорциональный

напряженности E и направленный вдоль поля:

pr =αε0 Er , (3)

гдё α - поляризуемость молекулы. При этом тепловое движение молекул не влияет на их поляризацию. Диэлектрическая проницаемость неполярного диэлектрика практически не зависит от температуры.

Полярный диэлектрик

У полярных диэлектриков молекулы обладают дипольным моментом в отсутствии электрического поля. Центры положительных и отрицательных зарядов у этих молекул в отсутствии электрического поля не совпадают. К полярным диэлектрикам принадлежат вещества состава CO2 , SiO2 , NH4OH , H 2O , спирты, глицерин и др. Их внешнее отличие в

том, что они в жидком состоянии растворяют соли, не растворяют минеральные масла и каучуки, не смешиваются с неполярными диэлектриками. Диэлектрическая проницаемость этих веществ значительно выше, чем у неполярных диэлектриков. В электрическом поле дипольные моменты этих молекул стремятся расположиться вдоль силовых линий. Тепловое движение, внося элемент хаоса, препятствует ориентации молекул - диполей вдоль поля. Вследствие этого диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков убывает с ростом температуры.

ВИДЫ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

В электрическом поле диэлектрики поляризуются. В результате этого на поверхности диэлектриков возникают связанные электрические заряды, влияющие на поле, вызвавшее их появление. При этом различают 3 типа поляризации:

•Электронная (деформационная) поляризация неполярных диэлектриков.

•Ориентационная поляризация полярных диэлектриков.

•Ионная поляризация в ионных кристаллах. При этой поляризации положительные ионы кристаллической решетки смещаются вдоль силовых линий поля, а отрицательные ионы в противоположном направлении.

Для количественного описания поляризации вводят понятие вектора поляризации

(или поляризованности), который равен

где pri - дипольный момент молекулы, ∆V - объем диэлектрика, суммирование проводится по всем молекулам этого объема.. В частности, для однородных поля и диэлектрика

Pr = npri , (6)

где n - число молекул - диполей в единице объема. Для всех типов поляризации вектор Pr пропорционален Er :

Pr = χε0 Er , (7)

где χ - диэлектрическая восприимчивость вещества. Для неполярных диэлектриков

где T - термодинамическая температура; k - постоянная Больцмана.

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Поляризацию диэлектрика удобно рассматривать на модели однородного поля плоского конденсатора, заполненного однородным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε . Пластины конденсатора параллельны и заряжены равными разноименными зарядами с поверхностной плотностью r±σ (рис. 2). Эти заряды образуют

однородное электрическое поле напряженностью E0 . В соответствии с теоремой Остроградского — Гаусса

E0 = σ . (10)

ε 0

Эта формула справедлива для конденсатора, у которого расстояние между пластинами много меньше их линейных размеров. В этом случае искажением электрических полей по краям пластин можно пренебречь.

В результате поляризации диэлектрика на его поверхности, прилегающей к заряженным пластинам, возникают связанные электрические заряды с поверхностной плотностью ± σ ′ . Эти связанные заряды создают дополнительное внутреннее электрическое поле напряженностью

так как σ ′Sl - дипольный момент поляризованного диэлектрика, а Sl - его объем. Подставляя значение P из (7) в (12), получим