Наблюдение петли гистерезиса сегнетоэлектрика

Рис. 9

Мы будем наблюдать в эксперименте зависимость индукции D от напряженности поля E.

Для эксперимента используется осциллограф в режиме X–Y. В таком режиме на вход вертикальных и горизонтальных отклоняющих пластин осциллографа подаются сигналы с внешних источников. Схема измерений приведена на рис. 10. Источник напряжения через повышающий трансформатор подключают к соединенным последовательно конденсатору с сегнетоэлектриком и «эталонному» конденсатору С₀. Резистор R₀ замкнут. Напряжение U_c на исследуемом конденсаторе пропорционально напряженности Е поля в сегнетоэлектрике, а напряжение U₀ - заряду на обкладках и значению электростатической индукции D:

U_c=E×d (3),

U₀=q/C₀=D×S/C₀ (4).

Выберем С₀ ññ С, тогда U₀ áá U_C, и можно считать U_C ~ U. Подав напряжение U на вход X осциллографа, а напряжение U₀ на вход Y, получим график зависимости индукции D от напряженности поля E.

Рис. 10

Измерив U и U₀, и зная параметры исследуемого конденсатора, можно вычислить напряженность E и индукцию D с помощью (3) и (4).

Контакт 4 соединяют с линией «ОБЩИЙ» осциллографа. Сигнал с контакта 2, пропорциональный напряженности поля в сегнетоэлектрике, подают на вход «X». Сигнал с контакта 3, пропорциональный заряду на конденсаторе, а значит и значению электрической индукции D, подают на вход «Y». Для того чтобы напряжение U уложилось в шкалу осциллографа, можно на вход Y подавать напряжение с низковольтного вывода трансформатора (контакт 5).

При работе требуются повышенные меры электробезопасности.

Рис. 9

Порядок выполнения работы:

1. Установите модуль с сегнетоэлектриком (маркировка модуля «С») на печь, накройте его теплозащитным кожухом, совместив номера выводов на кожухе с номерами на модуле.

На рис. 10 представлена схема модуля «СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК» с выводами 1,2,4,5, которые находятся на крышке модуля, и показаны необходимые подключения источника питания «ИП», входов осциллографа «Х», «Y», «Общий».

2. Соберите схему рис. 10, для чего:

· Соедините разъем «ТЕРМОСТАТ» ИСТ-2М кабелем «К03» с разъемом печи (см рис. 5 поз 12).

· Один конец кабеля «К01» (см. рис. 8) подключите к разъему источника питания «-/~» (на передней панели измерительной системы ИСТ-2М см. рис. 5), а другой конец к выводу «4» модуля «С».

· Второй кабель К01 подключите одним концом к разъему «+/~» источника питания, а другим концом к выводу «5» модуля (поз. 5 рис. 9);

· Соедините выводы «1», «3» модуля перемычкой.

· Подключите осциллограф к модулю:

· Штекер «А» кабеля «К02» подключите к разъёму «U1» осциллографа.

· Второй конец «Б» кабеля «К02» подключите к модулю «С»: красный провод к выводу «2» модуля «С», чёрный провод – к выводу «5» модуля «С».

· Второй кабель «К02» подключите концом «А» к разъёму «U2» осциллографа; конец «Б» - к модулю: красный – к выводу «3», чёрный – к выводу «5» модуля «С».

Рис. 11

3. Настройте осциллограф, для чего:

· нажмите (утопите) кнопки «Y2», «Z», «XY», остальные кнопки не нажимать,

· выставьте переключателями диапазоны осциллографа в соответствии с рис 11,

· включите осциллограф, нажав кнопку «Сеть».

3. Настройте измерительную систему, для чего:

· установите тумблер «=/~» в положение «~»,

· установите тумблер «нагр» в нижнее положение,

· включите тумблер «Сеть»,

· нажмите кнопку «Т1» (на индикаторе высветится температура печи).

4. Произведите измерения, для чего предварительно:

4.1. Плавно вращая ручку «Амплитуда» на панели ИСТ–2М установите на осциллографе петлю гистерезиса, не достигшую насыщения.

4.2. Зарисуйте петлю, при комнатной температуре.

4.3. Определите по петле, используя шкалу осциллографа и соотношения (3) и (4) величину остаточной индукции D_S и коэрцитивную силу Е_с, запишите их в таблицу 1.

Начните нагрев печи, для чего:

· Ручку «нагрев» установите в положение «20»

· Ручку «температура» установите в положение 80⁰ (см. рис. 12)

· Включите тумблер «нагр» в положение «вкл».

· Наблюдайте за поведением петли в процессе увеличения температуры. Что изменяется? О чем это свидетельствует?

· Записывайте в Таблицу 1 через каждые 10⁰С, температуру, величину остаточной индукции D_S, коэрцитивную силу Е_с

Когда температура достигнет 80⁰С, переходите к определению температуры Кюри. Для этого:

· При достижении температуры печи 80⁰ С, когда загорится красная лампочка «Кр» необходимо выдержать 3 минуты (хотя печь нагрелась до заданной температуры, но температура модуля пока ниже, для достижения модулем нужной температуры необходимо прогреть его до заданной температуры).

· По истечении времени термостатирования запишите в таблицу 1 температуру, величину остаточной индукции D_S, коэрцитивную силу Е_с.

· После достижения температуры 80⁰C ручку «температура» плавно поверните до погасания красной лампочки «Кр» (температура изменяется примерно на 2⁰С).

· Вновь дождитесь загорания красной лампочки, выждите 3 минуты, записывая данные в таблицу 1 и наблюдая за петлёй гистерезиса.

· Так повторяйте до того момента, пока петля сузится до прямой линии. Это означает, что остаточная индукция D_S равна нулю, сегнетоэлектрик нагрет до температуры Кюри.

· Запишите в Таблицу 1 значение температуры Кюри.

Таблица 1

Температура	DS	Ес	РS
Температура Кюри =

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется вектором поляризации диэлектрика?

2. Как связаны вектор поляризации вещества и плотность поляризационных зарядов внутри тела и на его поверхности?

3. Напишите соотношение, связывающее векторы E, P и D. Как это соотношение выглядит в проводнике?

4. Образец сегнетоэлектрика имеет форму таблетки. Найдите индукцию и напряженность поля в образце, если вектор поляризации направлен вдоль оси таблетки, а его величина равна P ₀ и не зависит от напряженности поля.

5. Проводящая пластинка помещена в однородное электрическое поле, вектор напряженности Е, которого перпендикулярен плоскости пластинки. Найдите векторы P и D в пластинке.