ІІ. Короткі теоретичні відомості.

Сегнетоелектриками називаються речовини, які володіють спонтанною (самовільною) поляризацією при відсутності зовнішнього електричного поля. Сегнетоелектричні властивості відбуваються в деяких кристалічних речовинах (сегнетова сіль, титанат барію). В кристалі титаната барію розміщений в центрі кисневого октаєдра (мал. П.І). При визначених температурах іон титану отримує можливість наблизитись до одного з іонів кисню. Утворюється диполь, і кристалічна комірка отримує електричний момент. Завдяки взаємодії існуючому між сусідніми елементарними комірками , виникають цілі області (домени), складені з кристалічних комірок з однаково напрямленими електричними моментами. Це явище носить назву спонтанної поляризації.

Для всіх сегнетоелектриків характерним являється те, що спонтанна поляризація проявляється тільки в визначеному інтервалі температур. При температурах, лежачих за межами цього інтервала, вони мають властивості звичайного діелектрика.

Температура, вище якої речовина втрачає сегнетоелектричні властивості, називається точкою Кюрі. (мал.ІІ.2) тпри цьому змінюється кристалічна структура діелектриків, наприклад, в титані барію тетрагональна решітка переходить в кубічну. В ряді матеріалів має місце декілька фазових переходів при більш низьких температурах.(мал.І.3).Основними особливостями сегнетоелектриків в сегнетоелектричній області являються наступні:

І) Діелектрична проникливість досягає високих значень при температурах близьких до точки Кюрі.

ІІ) діелектрична проникливість і ємність сильно змінюється в залежності від напруги електричного поля, відповідно (мал.І.4).Коефіцієнт нелінійності сегнетоелектриків  досягає кілька десятків одиниць.

ІІІ) Залежність заряду від прикладеної напруги на обкладинках сегнетоконденсатора аналогічно кривої намагнічування: при визначеному значенню напруги і тут розряд сповільнюється, тобто находить насичення.

В змінних електричних полях в сегнетоелектриків спостерігається явище гістерезиса, тобто відставання зміщення електричної індукції (заряду)вд напруженості електричного поля (рис.І.5). Площа петлі діелектричного гістерезиса пропорційна гістерезисним втратам. Осцилографічні залежності втрат на поляризацію для різних лінійних і нелінійних діелектриків приведені на (рис. І.6).Наявність залежності діелектричної проникності і ємності сегнетоконденсатора від напруженості поля вимагає ввести умовні поняття ефективної ємності. Нехай при даній напрузі U_m максимальне значення заряду що дорівнює Q_m , то його ємність і приймається за ефективною ємністю С_е сегнетоконденсатора.

Опис лабораторного макету,

При вивченні діелектричних властивостей сегнетоелектриків цілеспрямований нагляд залежностей електричного заряду на обкладинках конденсатора з даним матеріалом від прикладеної до нього напруги. Значення струму протікаючого через конденсатор пропорційно кількості перенесеного заряду. Тому практично зручно вивчати залежність величини падіння напруги на зразковому резисторі пропорційно струму від напруги.(мал.9.5)Схема дослідження властивостей сегнетоелектриків.

Зняття характеристик сегнетоконденсатора приводять на екрані осцилографа. Принципіальна схема якої приведена на рис. 9.5.Дана лабораторна робота складається з лабораторного макета, в якому знаходяться сегнетоелектричний конденсатор С₂, керамічний конденсатор С1 і зразковий резистор, генератора НЧ коливань 2 і двох осцилографів 3 і 4. Осцилограф 3 використовується в якості підсилювача, а 4-для нагляду характеристик конденсатора.

Порядок виконання роботи

4.1. Зібрати схему за малюнком.

4.2. Включити живлення стола.

4.3. Включити пристрої С1-5, Г3-33, дати їм прогрітися на протязі 5 хвилин і перевести перемикач S1 в положення 1.

4.4. Ручкою регулятора напруги встановити напругу на сегнетоконденсаторі 50В.

4.5. Перезняти на міліметровку зображення пітлі діелектричного гістерезису з осцелографа.

4.6. Підвищити напругу на сегнетоконденсаторі до 80В. і знову перезняти зображення пітлі.

4.7. За допомогою регулятора напруги вивести напругу на сегнетоконденсаторі до 0.

4.8. Перемкути S1 в положення 2. Це означає, що в ланцюг ввімкнутий керамічний конденсатор.

4.9. Встановити на керамічному конденсаторі напругу 50В., і перезняти на міліметровку зображення залежності Q=f(V) (пряма лінія).

4.10. Вивести до 0 напругу на досліджуємом конденсаторі, виключити Г3-33 і осцилографи.

4.11. Провести для сегнетоконденсатора і керамічного конденсатора необхідні обчислення і занести їх в таблицю 9.1.

Визначення за петлеюдіелектричного гістерезиса, гістерезесних втрат конденсаторів виробляється таким чином:

Тангенс кута втрат (гістерезесних втрат):

            ;

Реактивна потужність конденсатра:

, 

Гістерезесні втрати P_ar в конденсаторі визначаються за площею петлі гістерезиса:

де S -площа петлі, м².

f -частота, Гц.

m_q -масштаб вертикального відхилення променя на екрані осцелографа

m_v -масштаб горизонтального відхилення.

Площа петлі діелектричного гістерезеса визначається шляхом підрахунку числа повних і усереденого числа неповних квалратних міліметрів на осцелографах за допомогою міліметрового паперу.

Після підстановки одержуємо:

де Ох -горизонтальне відхилення променя (вісь напруги), або розміри осцилограми по горизонталі, м;

Оу -вертикальне відхилення променя ( вісь зарядів ), або розміри осцилограми по вертикалі, м.

4.12. Скласти і оформити звіт по роботі.

Порядок виконання роботи.

1) Скласти схему лабораторної роботи.

2) Ввімкнути дріт живлення лабораторного столу в мережу 220 В.

3) Ввімкнути прилади С2-5, Г3-33, дати їм прогрітися протягом 5 хвилин.

4) Ручкою регулятора напруги, встановити напругу на сегнетоконденсаторах 50В.

5) Перезняти на міліметровий папір зображення петлі гістерезису з екрана імпульсного сінхроскопу.

6) Підвищити напругу на конденсаторі до 80 В і також зняти петлю гістерезису.

7) За допомогою регулятора напруги встановити нульове значення на конденсаторі.

8) Перемикач 1 встановити в положення 2, і це означає, що під’єднаний конденсатор С1.

9) Встановити на керамічному конденсаторі значення напруги 50В і намалювати петлю гістеризизу (пряма )

10) Вивести до нульової напруги на конденсаторі, вимкнути генератор Г3-33 і осцилографи С2 –5.

11) Провести для сегнетоконденсатора і керамічного конденсатора необхідні розрахунки і занести їх в таблицю 9.1.

Визначення по петлі гістерезису гістерезисних втрат конденсаторів проводиться наступним чином.

Тангенс кута гістерезисних втрат.

Гістерезисні втрати в конденсаторі визначаються за площею петлі гістерезису. Де S – площа петлі ; f- частоти; m- масштаб вертикального відхилення променя на екрані оцилографа.

     Площа петлі діелектричного гістерезису визначається шляхом підрахунку числа повних і усередненого числа неповних квадратних міліметрів на осцелограмах за допомогою міліметрового паперу.

     Після підрахунку отримаємо. Де Ох- горизонтальне відхилення променя або розміри осцилограми по горизонталі, Оу - вертикальне відхилення променя або розміри осцилограми по вертикалі.

12) Скласти і оформити звіт з лабораторної роботи.

Зміст звіту.

1) Пинципіальна схема л/р для зняття характеристик.

2) Результати вимірювання і обчислення характеристик сегнетоконденсатора і керамічного конденсатора.

3) Зображення петель гістерезису, зняття її на міліметровий папір.

4) Висновки про можливість гістерезису технічного використання досліджувальних конденсаторів.

Контрольні запитання.

1) Що таке спонтанна поляризація?
2) Які властивості характерні для сегнетоелектриків?

3) При яких умовах сегнетоелектрик втрачає свої свої властивості?

4) При яких умовах ефективна ємність сегнетоконденсатора максимальна?

5) Що таке Се?

6)  Де використовуються сегнетоелектрики?

7) Чим лінійні діелектрики використовуються від нелінійних? Привести приклади лінійних і нелінійних конденсаторів.