Лабораторная работа № 10
Исследование электрических свойств сегнетоэлектрика
Цель работы: наблюдение на экране осциллографа кривых зависимости индукции электрического поля от напряженности поля в сегнетоэлектрике; определение
диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика в зависимости от напряженности электрического поля; определение мощности, потребляемой на переполяризацию сегнетоэлектрика.
Приборы и оборудование: коммутационная плата с конденсаторами, резисторами, переключателем, электронный осциллограф, генератор синусоидального напряжения.
Теоретическая часть
Диэлектрик, помещенный в электрическое поле, поляризуется, т.е. его результирующий дипольный момент становится отличным от нуля. При этом для однородных и
изотропных диэлектриков вектор поляризации P связан с
напряженностью электрического поля в диэлектрике соотношением
|
|
P = αε0 E , |
(1) |
где |
α |
- диэлектрическая восприимчивость; |
ε0 - |
электрическая постоянная. Вектор электрической индукции
равен
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
D = ε0 E + P = ε0 (1+ α)E = ε0ε E , |
(2) |
где ε =1+ α - диэлектрическая проницаемость. |
Если |
диэлектрик удалить из поля, то поляризация в нем исчезнет. Имеются, однако, кристаллы, в которых дипольный момент существует в отсутствие внешнего электрического поля. Обычно такие кристаллы состоят из отдельных областей, имеющих спонтанную поляризацию (доменов)*. В
некоторых из них направление спонтанной поляризации может быть изменено приложенным внешним полем сравнительно небольшой величины. Кристаллы, обладающие таким свойством, называются сегнето- электриками. Сегнетоэлектрические свойства наблюдаются до некоторой температуры, называемой температурой Кюри, выше которой спонтанная поляризация исчезает и сегнетоэлектрик становится обычным диэлектриком.
Внутри каждого домена дипольные моменты, обусловливающие поляризацию, направлены одинаково, но в
соседних доменах векторы поляризации направлены различно. Поэтому результирующий дипольный момент сегнетоэлектрика обычно равен нулю. Если же к
сегнетоэлектрику приложить постоянное электрическое поле, то направления векторов поляризации доменов изменяются так, чтобы угол между векторами
напряженности внешнего поля и поляризации стал наименьшим (заметим, что сегнетоэлектрические кристаллы
имеют несколько возможных направлений спонтанной поляризации). Это состояние закрепляется, т.е. в отсутствие поля сегнетоэлектрик, подвергнувшийся поляризации, будет
иметь отличный от нуля дипольный момент даже в том случае, если сегнетоэлектрик не монокристалл, а поликристалл. Именно это свойство широко используется
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
при практических применениях сегнетоэлектрических материалов.
Существование спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках обусловливает их особые электрические свойства. Так, диэлектрическая проницаемость у них на несколько порядков больше, чем у обычных диэлектриков, и составляет приблизительно 102…104, а зависимость
поляризации и электрической индукции от напряженности электрического поля оказывается нелинейной (кривая OAF на рис.1).
Кроме того, в сегнетоэлектриках наблюдается гистерезис:
поляризация P (и электрическая индукция D ) зависят от предыстории диэлектрика, т.е. от предшествующих
значений поля E . Предположим, что в начальном состоянии внешнее поле E = 0 и сегнетоэлектрик не поляризован. Это означает, что поляризация одних доменов
компенсируется противоположно направленной поляризацией других ( E = 0, P = 0, D = 0, точка O на рис.1).
При увеличении электрического поля E происходит частичная переориентация доменов, а также рост одних доменов за счет других. Это ведет к росту поляризации P и индукции D (кривая OA на рис.1). В точке A поляризация
всех доменов оказывается ориентированной вдоль поля E . Дальнейшее возрастание P происходит за счет индуцированной поляризации (как и в обычном диэлектрике), и кривая OA переходит в прямолинейный участок AF.
В поликристаллах размер доменов обычно составляет ~ 5 мкм.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
|
D |
|
|
|
Dmax |
A |
F |
|
|
||
|
|
|
|
|
B' |
B |
|
|
O |
Emax |
E |
F' |
A' |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1. Петля гистерезиса |
|
|
Будем теперь уменьшать напряженность электрического поля. Оказывается, что изменение D пойдет не по прежней кривой FAO, а по новой кривой FAB'F', расположенной выше. Это явление называется диэлектрическим
гистерезисом и связано с доменной структурой диэлектрика. Таким образом, поляризация P не определяется однозначно полем E, а зависит также от предыдущей истории сегнетоэлектрика.
Если менять электрическое поле в обратном порядке, то зависимость D(E) изобразится нижней кривой F'A'BAF,
симметричной кривой FAB'A'F' относительно начала координат O. Таким образом получается замкнутая кривая AB'A'BA, называемая петлей гистерезиса. Можно получить петли гистерезиса меньших размеров, если менять поле E в меньшем диапазоне.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com