Описание установки и метода измерений. Исследование процесса поляризации сегнетоэлектрика производится с помощью схемы, представленной на рис.7

 

Исследование процесса поляризации сегнетоэлектрика производится с помощью схемы, представленной на рис.7. От источника питания ИП на вход кассеты ФПЭ-02 с помощью специального кабеля поступает постоянное и переменное напряжение. С выходных клемм кассеты «PV» переменное напряжение через соединительные провода подается на цифровой вольтметр (вход U – O). С выходных клемм кассеты «PQ» переменное напряжение подается с помощью соединительных кабелей на выход осциллографа. С клеммы «X» напряжение подводится на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа (канал А). С клеммы «Y» напряжение поступает на вертикально отклоняющие пластины осциллографа (канал Б).

 

 

 

Рис.7. Общая электрическая схема лабораторной установки

 

Принципиальная схема кассеты ФПЭ-02 приведена на рис.8.

 

Рис.8. Принципиальная схема кассеты ФПЭ-02

 

Переменное напряжение частотой 50 Гц от источника питания подается на делитель напряжения кассеты, состоящий из двух сопротивлений R₁ и R₂ (рис.8). Это напряжение измеряется цифровым вольтметром на выходных клеммах кассеты «PV». Параллельно делителю включены две последовательно соединенные емкости: исследуемый сегнетоэлектрический конденсатор C₁ и эталонный конденсатор C₂. Величина подаваемого напряжения регулируется переменным резистором R₃. Подача переменного напряжения в электрическую цепь дает возможность наблюдения поляризованности сегнетоэлектрического конденсатора - диэлектрического гистерезиса.

Для получения симметричной петли гистерезиса в исследуемую электрическую цепь подается постоянная составляющая напряжения более 40 В, величину которой можно регулировать с помощью ручки плавной регулировки, расположенной на панели источника питания (ручка «12В-120В»). Для наблюдения поляризации сегнетоэлектрического конденсатора C₁ при подаче на него переменного напряжения служит электронный осциллограф.

На вертикально отклоняющие пластины осциллографа (канал Б) подается напряжение U₂ с эталонного конденсатора C₂:

(9)

где Q - заряд на конденсаторе, C₂ - емкость эталонного конденсатора.

Поскольку конденсаторы C₁ и C₂ соединены последовательно, то они имеют на обкладках одинаковый заряд Q, величину которого можно выразить через поляризованность P исследуемого конденсатора следующим образом

(10)

где s ¢ -поверхностная плотность заряда на обкладках исследуемого

сегнетоэлектрического конденсатора C₁,

S - площадь обкладок этого конденсатора.

С учетом (10) напряжение U₂ будет равно

. (11)

Следовательно, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа напряжение U₂ пропорционально поляризованности P в сегнетоэлектрике.

Учитывая формулу (11), получим выражение для поляризованности P:

(12)

На горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается переменное напряжение U₁ , приложенное к сегнетоконденсатору.

Из электрической схемы рис 8. видно, что

, (13)

где U - переменное напряжение в цепи питания кассеты ФПЭ-02.

Напряжение U подается также на емкостной делитель C₁C_2. В схеме C₁ << C₂ , поэтому можно считать, что практически все напряжение U приложено к сегнетоэлектрическому конденсатору C₁.

Напряжение U можно выразить через напряженность E внешнего электрического поля в сегнетоэлектрике и его толщину d:

. (14)

Таким образом:

(15)

Следовательно, на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное напряженности E внешнего электрического поля.

Из соотношения (15) получаем формулу для напряженности внешнего электрического поля:

(16)

 

Порядок выполнения работы