Введение. Цель: По предельной петле гистерезиса ознакомиться с методом измерения основных характеристик сегнетоэлектриков

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА

Работа № 5

Цель: По предельной петле гистерезиса ознакомиться с методом измерения основных характеристик сегнетоэлектриков, исследовать зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля.

Рис. 5.1. Модуль ФПЭ- 02  

Оборудование: Лабораторная работа «Изучение свойств сегнетоэлектрика» проводится на установке, собранной по схеме (рис. 5.6) и состоящей из рабочего устройства — модуля ФПЭ-02 (рис. 5.1), мультиметра MY-64, осциллографа С1-93 (вместо мультиметра можно использовать второй канал осциллографа). Принцип работы установки основан на поляризации сегнетоэлектриков в зависимости от напряженности электрического поля, подводимого к сегнетоэлектрику. Поляризация сегнетоэлектрика изучается наблюдением петли диэлектрического гистерезиса на экране осциллографа, подключенного к модулю ФПЭ-02.

Сегнетоэлектрики — группа кристаллических диэлектриков, у которых в некотором интервале температур в отсутствие внешнего электрического поля нет спонтанной (самопроизвольной) поляризованности ( — электрический дипольный момент единицы объема вещества вне электрического поля). Величина и направление вектора существенно зависят от электрического поля, механических напряжений, измерения температуры и др. Впервые сегнетоэлектрические свойства были подробно исследованы И.В.Курча­товым и П.П.Кобеко у сегнетовой соли (натрий-калиевая соль винной кислоты) NaKC₄H₄ 4H₂O, откуда и возникло название этого класса диэлектриков. Примерами сегнетоэлектриков являются титанат бария ВаТiO₃, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃ 3H₂SO₄ и др. Сегнетоэлектрики имеют важное практическое применение, например, приготовляя сложные диэлектрики на основе сегнетоэлектриков и добавляя к ним различные примеси, можно получить высококачественные конденсаторы большой емкости при их малых размерах.

Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические тела, у которых решетка не имеет центра симметрии. Например, кристаллическая решетка титаната бария состоит как бы из трех встроенных друг в друга кубических подрешеток: одна образована положительными ионами бария, другая — отрицательными ионами титана, третья — отрицательными ионами кислорода (рис. 5.2). Минимум энергии взаимодействия между положительными ионами титана и отрицательными ионами кислорода достигается, если они смещаются навстречу друг другу, нарушая тем самым симметрию элементарной кристаллической ячейки. Если такое

Рис. 5.2. Структура кристаллической решеткититаната бария

смещение происходит во всех элементарных ячейках кристалла, то сегнетоэлектрик приобретает очень большой электрический дипольный момент в направлении этого смещения. В результате сильного электрического взаимодействия между отдельными поляризованными ячейками они располагаются так, что их дипольные моменты параллельны друг другу. Такое расположение дипольных моментов возможно даже в отсутствие внешнего электрического поля. Это и есть спонтанная поляризованность .

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом особенностей:

1. Имеют большое значение диэлектрической проницаемости ε (~ 10⁵), в то время как у большинства обычных диэлектриков она составляет несколько единиц.

2. Характеризуются нелинейной зависимостью поляризованности от напряженности электрического поля Е. Это приводит к тому, что диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от напряженности поля. Для обычных диэлектриков эта величина не зависит от поля и является характеристикой вещества.

Рис. 5.3. Петля гистерезиса  

3. Обладают диэлектрическим гистерезисом («запаздывание»). Рассмотрим поведение сегнетоэлектрика при циклическом изменении внешнего электрического поля (рис. 5.3). При Е = 0 в сегнетоэлектрике существует только спонтанная поляризованность . Если макроскопический объем сегнетоэлектрика спонтанно поляризован, то он является источником сильного электрического поля. С этим полем связана большая энергия. Следовательно, такое состояние является энергетически невыгодным. Система из такого состояния стремится перейти к состоянию с меньшей энергией, сохраняя при этом спонтанную поляризованность . Это осуществляется путем разделения макроскопического объема сегнетоэлектрика на малые области — домены, каждый из которых характеризуется вектором спонтанной поляризованности (рис. 5.4). Размеры доменов порядка десятков тысяч ангстрем (порядка микрометра). В пределах одного домена всех элементарных ячеек ориентирован в одну сторону, но в разных доменах он ориентирован произвольно, поэтому средняя поляризованность всего сегнетоэлектрика равна нулю (точка 0 на рис. 5.3 и рис. 5.4 а).

При наложении внешнего электрического поля поляризованность сегнетоэлектрика изменяется. Она будет складываться из спонтанной поляризованности , не зависящей от поля , и индуцированной , вызванной этим полем:

Рис. 5.4.  

Первоначальное увеличение поляризованности происходит из-за роста доменов с «выгодной» ориентацией за счет доменов с «менее выгодной» ориентацией (рис. 5.4 б). «Выгодной» считается такая ориентация дипольных моментов, которая образует острый угол с направлением внешнего электрического поля. Наиболее интенсивно этот процесс протекает для среднего участка кривой 0–1. В точке 1 поляризованность всех доменов оказывается ориентированной вдоль поля Е,и сегнетоэлектрик превращается в однодоменный кристалл (рис. 5.4 с). Он находится в состоянии насыщения и характеризуется напряженностью Е_НАС и поляризованностью Р_НАС насыщения. Дальнейшее увеличение Е приводит к незначительному возрастанию поляризованности и кривая 0–1 переходит в линейный участок 1–1^* (рис. 5.4 д). Увеличение поляризованности на этом участке происходит за счет индуцированной поляризованности, которая линейно зависит от электрического поля Е:

(1)

где ε ₀ = 8,85·10^–12 Ф/м — электрическая постоянная. Так как при достижении состояния насыщения поляризованность равна сумме спонтанной и индуцированной поляризованности, то для определения максимальной спонтанной поляризованности необходимо экстраполировать прямую 1–1^* до пересечения с осью Р.

При уменьшении (из точки 1)поля кривая зависимости Р от Е не совпадет с первоначальной и пойдет несколько выше (кривая 1–2). При Е = 0 сегнетоэлектрик не возвращается в неполяризованное состояние, а сохраняет остаточную поляризованность Р_ост (отрезок 0–2). Это явление называется диэлектрическим гистерезисом. Таким образом, поляризованность не определяется однозначно полем , а зависит также от предшествующей истории сегнетоэлектрика.

Для деполяризации сегнетоэлектрика, т.е. сведения к нулю остаточной поляризованности, необходимо приложить некоторое поле Е_К обратного направления. Напряженность Е_К (отрезок 0–3) называется коэрцитивной силой (коэрцитивным полем). При дальнейшем увеличении поля того же направления поляризованность кристалла меняет свое направление и с ростом поля достигает насыщения в точке 4. Дальнейший рост (от точки 4 до 4^*) обусловлен действием индуцированной поляризованности. Если вновь изменять напряженность от – Е_НАС до + Е_НАС, то электрическое состояние сегнетоэлектрика будет изменяться вдоль ветви 4^*–4–5–6–1–1^*. Значение остаточной поляризованности для этой ветви определяется отрезком 0–5, а коэрцитивной силы — отрезком 0–6. Замкнутая кривая 1^*–1–2–3–4–4^*–5–6–1–1^* называется петлей гистерезиса.

При изменении напряженности поля от – Е до + Е и последующем возвращении от + Е до – Е, где Е — любое значение напряженности поля, удовлетворяющее условию 0 < Е < Е_НАС, будет также получаться петля гистерезиса, называемая частной петлей (частным циклом). Этих циклов может быть бесчисленное множество, при этом вершины частных петель лежат на основной кривой 0–1.

Дата добавления: 2015-06-04