Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков (ФПЭ-02)

Цель работы: изучение поляризации сегнетоэлектриков в зависимости от напряженности электрического поля Е, получение кривой , изучение диэлектрического гистерезиса, определение диэлектрических потерь в сегнетоэлектриках.

Теоретическое введение

Молекулы диэлектриков по своим электрическим свойствам эквивалентны электрическим диполям и могут обладать электрическим моментом.

                                                 (2.1)

где q – абсолютная величина суммарного заряда одного знака в молекуле (т.е. заряда всех ядер или всех электронов); - вектор, проведенный из “центра тяжести” отрицательных зарядов электронов в “центр тяжести” положительных зарядов ядер (плечо диполя).

Поляризация диэлектриков обычно описывается на основе представлений о жестких и индуцированных диполях. Внешнее электрическое поле либо упорядочивает ориентацию жестких диполей (ориентационная поляризация в диэлектриках с полярными молекулами), либо приводит к появлению полностью упорядоченных индуцированных диполей (поляризация электронного и ионного смещения в диэлектриках с неполярными молекулами и в ионных диэлектриках) – см. лабораторную работу 2-01. Во всех этих случаях диэлектрики поляризуются.

Поляризация диэлектрика заключается в том, что под действием внешнего электрического поля суммарный электрический момент молекул диэлектрика становится отличным от нуля.

Количественной характеристикой поляризации диэлектрика служит вектор поляризованности (или вектор поляризации), который равен электрическому моменту единицы объема диэлектрика:

,                                                     (2.2)

где  - векторная сумма дипольных электрических моментов всех молекул диэлектрика в малом объеме ΔV.

У изотропных диэлектриков поляризованность  связана с напряженностью электрического поля  в той же точке соотношением

                                                       (2.3)

где  - коэффициент, не зависящий в первом приближении от Е и называемый диэлектрической восприимчивостью вещества; ε₀ = 8,85∙10^-12 Ф/м – электрическая постоянная.

Для описания электрического поля в диэлектриках, кроме напряженности  и поляризованности , используют вектор электрического смещения , определяемый равенством:

                                                    (2.4)

С учетом (2.3) вектор смещения можно представить в виде:

,                                                       (2.5)

где  – безразмерная величина, называемая диэлектрической проницаемостью среды. Для всех диэлектриков > 0, а ε > 1.

Сегнетоэлектрики представляют собой особую группу кристаллических диэлектриков, обладающих в отсутствие внешнего электрического поля в определенном интервале температур и давлений спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, направление которой может быть изменено электрическим полем и в ряде случаев механическими напряжениями.

В отличие от обычных диэлектриков сегнетоэлектрики обладают рядом характерных свойств:

1. Сегнетоэлектрики характеризуются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости . Она может достигать величин порядка 10³¸10⁶. Например, диэлектрическая проницаемость сегнетовой соли NaKC₄H₄O₆∙4H₂О при комнатной температуре (~20⁰ С) близка к 10000.