Электрорадиоматериалы. Методические указания к лабораторным работам (стр. 6 из 8)

Отсюда

(6.4)

Поляризация сегнетоэлектриков в сильной степени зависит от температуры. У большинства сегнетоэлектриков гистерезис и нелинейность кулон-вольтной характеристики проявляются при всех температурах вплоть до некоторой предельной, которая соответствует максимуму диэлектрической проницаемости и называется точкой Кюри. Выше этой температуры происходит обратимое изменение структуры материала (разрушение доменов) и исчезновение сегнетоэлектрических свойств. Диэлектрическая проницаемость при этом резко уменьшается (рис. 6.3).

сегнетоэлектрическими свойствами обладают сегнетова соль, титанат бария, титанат и ниобат лития и др. Сегнетоэлектрики применяются в электрических конденсаторах большой емкости, нелинейных конденсаторах (вариконды), в пьезоэлектрических излучателях и приемниках звука и ультразвука, в качестве нелинейных элементов в оптических системах, электронике и вычислительной технике и т.д.

2. Описание экспериментальной установки

Схема осциллографического исследования сегнетоэлектриков показана на рис. 6.4.Установка питается от сети переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на входе измерительной цепи регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа). Емкость исследуемого плоского сегнетоэлектрического конденсатора С_x, значительно меньше (на один-два порядка) емкости образцового конденсатора С_о₁. Поэтому, когда конденсатор С_x подключен (переключатель П в положении «1»), заряд в измерительной цепи

, т. е. полностью определяется свойствами нелинейного конденсатора, и напряжение U_о1_, подаваемое на вертикальные пластины электронного осциллографа (ЭО), пропорционально заряду Q_x. На горизонтальные пластины осциллографа через делитель R_l- R₂ подается часть общего напряжения U»U_x. Погрешность будет тем меньше, чем больше отношение емкостей C_о1 и С_x. В результате на экране осциллографа будет наблюдаться гистерезисная диаграмма поляризации Q(U). Положение «2» переключателя П, когда подключается емкость С_о₂ << С_о₁ , служит для определения масштабов осциллографа по осям x и у.

3. Порядок выполнения работы

3.1 Снятие основной кривой поляризации и определение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика.

Собрать измерительную цепь в соответствии со схемой на рис. 6.4. Перевести переключатель П в положение «1». Установить на входе цепи напряжение 120 В. На экране осциллографа должна наблюдаться гистерезисная диаграмма поляризации сегнетоэлектрика. Подобрать масштаб по вертикальной оси осциллографа так, чтобы изображение занимало весь экран.

Внимание: в процессе выполнения последующих пунктов лабораторной работы не допускается изменять положение масштабного переключателя осциллографа.

Измерить и записать в табл. 6.2 координаты вершины гистерезисного цикла: x_m, y_m (координаты вершины можно определить как половину размаха изображения по горизонтальной и вертикальной осям экрана). Повторить измерения, изменяя входное напряжение как показано в табл.6.2.

Таблица 6.2

h= мм, d = мм, S = pd²/4 = м².

Опыт			Расчет
U	x_m	y_т	U_m	Q_m	D_m	Е_т	e	e_o
В	мм	мм	В	мкКл	Кл/м²	кВ/м	мкФ/м	—
120
100
80
60
40
20

При расчете использовать формулы:

где h, S – соответственно толщина и площадь слоя сегнетоэлектрика.

3.2 Определение масштабов по осям экрана осциллографа.

Переключатель П установить в положение «2». Вращением регулировочной рукоятки ЛАТРа, установить на входе цепи напряжение в пределах 40…60 В. На экране осциллографа должна наблюдаться наклонная прямая линия, представляющая кулон-вольтную характеристику Q(U) линейного диэлектрика конденсатора С_о₂. Занести в табл. 6.1 значения напряжения U и размаха колебаний луча осциллографа по горизонтали – Dх и вертикали – Dу.

Таблица 6.1

Измерение			Расчет		Примечание
U, В	Dх, мм	Dу, мм	M_U, В/мм	M_Q, Кл/м	С_о1 = мкФ, С_о2 = мкФ

Масштабы по осям координат определяются по следующим формулам:

(6.5)

3.3 Определение потерь в сегнетоэлектрике при комнатной температуре.

Устанавливая поочередно на входе цепи напряжение 60, 80, 120 В зарисовать на кальку осциллограммы петли гистерезиса. В табл. 6.3 занести координаты вершин гистерезисных циклов.

Таблица 6.3

Измерения				Расчет
U	x_m	y_m	S_QU	U_m	Q_m	P_г	tgd
В	мм	мм	мм²	В	мкКл	мВт	–
60
80
120

4. Оформление отчета

1. Привести схему экспериментальной установки, данные измерительных приборов и исследуемого элемента.

2. Оформить таблицы с результатами измерений и вычислений. При вычислении U_m и Q_m использовать координаты вершин осциллограмм гистерезисного цикла с учетом масштабов по осям осциллографа (табл. 6.1). Площадь гистерезисного цикла S_QU (табл. 6.3) определяется непосредственно по осциллограммам путем подсчета числа квадратных миллиметров (по миллиметровой бумаге), укладывающихся внутри петли.

3. По данным табл. 6.2 построить основную кривую поляризации D(E) и график зависимости относительной диэлектрической поляризации от напряженности электрического поля e_r(Е).

4. Привести осциллограммы гистерезисных циклов для трех значений напряжения на сегнетоэлектрическом конденсаторе.

5. Дать краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Что называют сегнетоэлектриками? Какие материалы обладают сегнетоэлектрическими свойствами?

2. Что такое диэлектрическая проницаемость, как ее можно практически определить?

3. Почему диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков значительно превышает проницаемость обычных диэлектриков и зависит от напряженности внешнего электрического поля?

4. В чем причина возникновения гистерезиса при поляризации сегнетоэлектриков?

5. Как происходит процесс поляризации сегнетоэлектриков?

6. Почему вольтамперная характеристика сегнетоэлектрических конденсаторов нелинейна?

7. Какими параметрами характеризуют потери мощности в диэлектриках?

8. Как и почему зависит диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков от температуры?

9. Как получить на экране осциллографа кулон-вольтную характеристику?

10. Назовите области применения сегнетоэлектриков.

Работа 7.Исследование свойств ферромагнитных материалов

Цель работы– экспериментальное подтверждение основных теоретических положений, определяющих физические процессы, происходящие в ферромагнитных телах при их периодическом перемагничивании; приобретение практических навыков в определении потерь в ферромагнетике, их разделении, снятии основной кривой намагничивания B(H) и оценке магнитных характеристик материала.

1. Краткие сведения из теории

Ферромагнитные материалы (Fe, Ni, Co и их сплавы) обладают особыми магнитными свойствами: высокое значение относительной магнитной проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности внешнего магнитного поля, при перемагничивании наблюдается магнитный гистерезис, обусловленный наличием доменов – областей спонтанной намагниченности.

Основной причиной магнитных свойств вещества являются внутренние скрытые формы движения электрических зарядов в его атомах – вращение электронов вокруг собственных осей (спиновый магнитный момент) и вокруг ядра (орбитальный магнитный момент). У ферромагнетиков даже при отсутствии внешнего магнитного поля имеются домены с параллельной или антипараллельной ориентацией спинов электронов. Такое вещество находится в состоянии спонтанного (самопроизвольного) намагничивания. В различных доменах эта ориентация различна. Если материал не подвергается воздействию внешнего магнитного поля, суммарный магнитный момент всех доменов и магнитный поток такого тела во внешнем пространстве равны нулю.