Электричество и магнетизм

В некоторых случаях имеются две точки Кюри – сегнетоэлектрические свойства исчезают и при понижении температуры. Например, у сегнетовой соли имеются две точки Кюри, характеризуемые температурами 24ºС и -18ºС. Таких сегнетоэлектриков сравнительно немного. В области (Т>Тк) зависимость ǽ от температуры описывается формулой

ǽ=А/(Т-Т0) , (1)

где А – константа, Т0 - те

мпература Кюри-Вейсса, близкая к температуре Кюри. Закон, выражаемый формулой 1, называется законом Кюри-Вейсса.

Среди сегнетоэлектрических кристаллов различают две группы: сегнетоэлектрики с водородными связями (сегнетова соль, NaNO3 и др.), ориентация дипольных моментов в которых связана с поворотом молекул в пространстве; сегнетоэлектрики кислородно-октаэдрического типа (BaTiO3 и др.), возникновение спонтанной поляризации которых сопровождается деформацией (растяжением) молекул.

Эти группы различаются значением константы А в законе Кюри-Вейсса и соотношением между Т0 и Тк. Для первой группы характерны значения константы А в диапазоне (1-5)×103 К и Т0=Тк. Для второй группы константа А лежит в диапазоне (1-3)×105 К, Т0 примерно на 10° ниже, чем Тк.

Спонтанная поляризация является источником очень больших электрических полей. Вокруг макроскопического объема сегнетоэлектрика, поляризованного спонтанно в некотором направлении, возникает электрическое поле большой энергии. Такое состояние энергетически невыгодно. Система стремится перейти в такое состояние, чтобы , с одной стороны, существовала спонтанная поляризация, а с другой стороны, энергия была бы минимальной. Это может осуществиться в результате разделения объема сегнетоэлектрика на малые области , в каждой из которых имеется спонтанная поляризация в некотором определенном направлении, различным для различных областей. При этом средняя поляризованность всего объема равна нулю, поэтому напряженность внешнего электрического поля, порождаемого этим объемом, близка к нулю. Малые области со спонтанной поляризацией называются диэлектрическими доменами или просто доменами. Таким образом, неполяризованный сегнетоэлектрик является совокупностью доменов с беспорядочно ориентированными спонтанными поляризованностями. Энергетически выгодно уменьшение объемов доменов, но этому процессу препятствует фактор, связанный с наличием поверхностной энергии на границе между соседними доменами. С уменьшением объемов доменов увеличивается суммарная поверхность границ, что ведет к увеличению поверхностной энергии, поэтому объемы доменов могут уменьшаться лишь до определенных пределов порядка тысяч межмолекулярных расстояний.

Процесс изменения поляризованности сегнетоэлектрика во внешнем электрическом поле состоит в переориентации дипольных моментов отдельных доменов в изменении объемов и движении границ между доменами.

Сегнетоэлектрики получили широкое применение в науке и технике. Например, на их основе получены конденсаторы с зависящей от температуры емкостью, так называемых варикондов.

Экспериментальная установка

Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 3, схема которой приведена на рис. 4. Образец представляет собой небольшой диск из сегнетоэлектрика с посеребренными поверхностями – вариконд 1.

Диэлектрическая проницаемость e исследуемого сегнетоэлектрика рассчитывается по измерениям емкости конденсатора С1:

(2)

Для температурных исследований образец помещается в нагреватель 2, питание которого осуществляется от сети. Скорость нагрева можно регулировать. Температура сегнетоэлектрика измеряется с помощью дифференциальной термопары 3 подключенной к милливольтметру 5, с пределом измерения 10 мВ. Контрольный спай термопары погружен в калориметр с таящим льдом 4. Градуировочная кривая термопары дана в приложении к прибору. Для измерения емкости вариконда используется измеритель иммитанса Е 7-15 6, внешний вид которого приведен на рис. 5.

Для проведения измерения достаточно подключить исследуемый образец к зажимам и установить нужный режим измерения. Нажатием кнопки «Параметр» установить прибор в режим измерения LC.

Для визуализации процесса используется электронный осциллограф ЭО.

Тумблером вида работ можно переключать схему на измерения и визуализацию.

Проведение эксперимента.

1. Собрать цепь по схеме на рис. 3

2. Переведите тумблер вида работ на визуализацию.

· К клеммам ГЗ подключить звуковой генератор (600 Ом)

· Подключить осциллограф ЭО.

· Подать напряжение на установку и получить на экране осциллографа петлю гистерезиса.

3. Переведите тумблер вида работ на работу с измерительным прибором.

· Разарретировать милливольтметр. При необходимости с помощью корректора установить стрелку (зайчик) прибора на ноль.

· Нагреватель установки при выполнении этого задания должен быть отключен.

· Заполнить колотым льдом или снегом сосуд, в который погружается контрольный спай термопары. Лед должен быть таящим, для чего в сосуд можно добавить воды, чтобы получить смесь воды и льда. После этого милливольтметр должен показывать наличие термоЭДС (» 0,9 мВ).

· Для электропитания внешних приборов можно использовать розетки, закрепленные на панели прибора.

4. Температурные измерения лучше проводить при остывании сегнетоэлектрика. Этим обеспечивается более равномерный режим изменения температуры. Поэтому включите нагреватель и прогрейте сегнетоэлектрик до 110-1200С. Для определения температуры образца пользуйтесь градуировкой термопары.

5. Выключите нагреватель. С уменьшением температуры емкость вариконда начинает изменяться. Необходимо снимать показания измерительного прибора (емкость вариконда С) в соответствии с показаниями милливольтметра вплоть до остывания образца до комнатной температуры.

6. Заполните таблицу. Пересчитайте термоЭДС в температуру по шкале Цельсия. По формуле 2 рассчитайте величину диэлектрической проницаемости вариконда для каждой температуры.

7. Постройте график зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры e=f(t) и по максимальному значению диэлектрической проницаемости определите точку Кюри для данного вида сегнетоэлектрика tk и Тк.

8. Постройте график зависимости 1/e от абсолютной температуры 1/e = f(T) в области Т>Тк. В соответствии формулой (1) этот график график представляет собой прямую линию:

По величине углового коэффициента найдите значение константы А в законе Кюри-Вейсса, а по точке пересечения прямой с осью ординат определите температуру Т0. По порядку величины А и по соотношению между Тк и Т0 сделайте вывод о типе сегнетоэлектрика, используемого в работе.

Примечания:

Данные схемы: R1=1,5 кОм, R2 = 100 кОм, С0 = 10 мФ

Частота измерения: n = 300 Гц

Размеры сегнетоэлектрика: толщина d = 1 мм, диаметр D = 20 мм.

Чувствительность осциллографа по горизонтальной оси: Ux = 1В/дел.

 Скачать реферат