Файл: 1. исследование электрических свойств проводниковых материалов.doc

7.2. Описание установки

Свойства сегнетоэлектриков исследуются осциллографическим и другими методами на промышленной частоте. Схема измерительной установки приведена на рисунке, где использованы следующие обозначения: Gl - регулируемый генератор переменного напряжения; PV1 - вольтметр для измерения входного напряжения; Rl, R2 - делитель напряжения; С₀₁ - образцовый конденсатор для градуировки осциллографа. C₀₂ - образцовый конденсатор большой емкости; PV3 - ламповый милливольтметр для измерения падения напряжения на C₀₂; N - осциллограф; С_х - испытуемый сегнетоэлектрический конденсатор; PV2 - вольтметр для измерения постоянного напряжения смещения.



Схема установки для исследования сегнетоэлектрика
Для исследования сегнетоэлектриков по петлям гистерезиса на горизонтальный вход осциллографа (вход X) подается напряжение с резистора Rl, пропорциональное полному напряжению на входе схемы, измеряемому вольтметром PV1. Приложенное напряжение падает в основном на испытуемом образце, т. к. его емкость С_х много меньше емкости последовательно соединенного образцового конденсатора С₀₂, с которого снимается напряжение на вертикальный вход осциллографа (вход У). В переменном поле заряды последовательно включенных конденсаторов равны, поэтому падение напряжение на конденсаторе С₀₂ пропорционально заряду на нелинейном конденсаторе С_х:

Q₀₂ = C₀₂U₃ = Q_x = C_xU₁
Таким образом, на экране осциллографа можно видеть зависимость заряда их сегнетоэлектрического конденсатора от напряжения на его обкладках.

Для исследования реверсивной нелинейности сегнетоэлектриков используются регулируемые генераторы Gl и G2. Падение напряжения на образцовом конденсаторе C_02, пропорциональное заряду на С_х , измеряется с помощью милливольтметра PV3. Напряжение генератора G2, измеряемое вольтметром PV2, управляет реверсивной емкостью сегнетоэлектрического конденсатора С_х

---

.

7.3. Проведение испытаний

7.3.1. Градуировка горизонтальной и вертикальной осей
Включить осциллограф в сеть и дать ему прогреться в течение 5-10 мин. Добиться четкого изображения пятна в центре экрана

С помощью ключа S1 подключить образцовый конденсатор известной емкости C_01. Подать на измерительную схему питание от генератора Gl и по вольтметру PV1 установить напряжение U_1, равное 142 В.

Ручкой "Горизонтальное усиление" развернуть луч на экране осциллографа на 4 дел. (считая от центра), которым соответствует амплитуда приложенного напряжения. В дальнейшем ручку "Горизонтальное усиление" не трогать!

Ручкой "Вертикальное усиление" развернуть луч на 4 дел (считая от центра), которым соответствует амплитуда напряжения на конденсаторе C₀₂.

В дальнейшем ручку "Вертикальное отклонение" не трогать!

Зарисовать полученное изображение.

7.3.2. Исследование основной кривой заряда сегнетоэлектрического конденсатора

С помощью ключа S1 подключить к схеме сегнетоэлектрический конденсатор С_х.

Изменяя напряжение на выходе генератора Gl и фиксируя его через каждые 0,5 дел. по горизонтальной оси на экране осциллографа (от нуля до максимального значения) снять семейство петель гистерезиса. Петли гистерезиса с экрана осциллографа зарисовать на кальку. Занести в табл.7.1 координаты вершин петель гистерезиса при различных напряжениях генератора G1.

Таблица 7.1

Х, дел	U1m,B	Е1m,MB/m	Y, дел	Qx, Кл	Сст, Ф	ε ст

---

7.3.3. Исследование зависимости реверсивной диэлектрической проницаемости от напряженности постоянного электрического поля

По вольтметру PV1 установить напряжение на выходе генератора G1, равное 10 В.

Переключателем S3 включить генератор напряжения G2. Изменяя напряжение на выходе генератора G2 через 50 В от нуля до максимального значения, измерьте соответствующие значения падения напряжения на эталонном конденсаторе C₀₂. Данные занести в табл.7.2.

Повторить измерения при значении напряжения на выходе генератора G1, равном 25 В.

Таблица 7.2

U2, B	Е2, MB/m	U1 = 10 B			U1 = 25 B
		UЗ, В	СР, Ф	εР	UЗ, В	СР, Ф	εР

Выключить генератор G2.

7.3.4. Исследование температурной зависимости начальной диэлектрической проницаемости

Установить по вольтметру PV1 напряжение на выходе генератора G1, равное 5 В.

Включить термостат. Для этого переключатель S4 перевести в положение «Т» (переключатель "Уст.температуры" должен находиться в крайнем левом положении). После стабилизации температуры (через 2-3 мин) записать в табл.7.3 значение температуры (t) и напряжения на конденсаторе С₀₂ (U_З), измеряемое милливольтметром. Перевести переключатель "Уст.температуры" в следующее положение и повторить измерения. Далее продолжить измерения при всех положениях переключателя "Уст.температуры".

Таблица 7.3

t, OC	UЗ, mB	Cнач, Ф	εнач

---

После снятия температурной зависимости диэлектрической проницаемости переключатель "Уст.температуры" вернуть в крайнее левое положение, выключить термостат (переключатель S4 в положение V) и осциллограф.

7.4. Обработка результатов

1. По данным 7.3.1 определить масштабы горизонтальной и вертикальной осей развертки осциллографа по формулам:



где - амплитудное значение приложенного напряжения, U₁ - действующее значение напряжения, установленное по вольтметру РV1, x- отклонение по горизонтальной оси;



где Q - заряд на обкладках конденсатора С₀₂ , Y - отклонение по вертикальной оси, - напряжение на конденсаторе С₀₂.

Значение емкостей C₀₁и С₀₂ указываются преподавателем.
2. По данным 7.3.2 вычислить максимальные значения напряженности электрического поля и оответствующие им заряды по формулам:

,

где h - толщина сегнетоэлектрика, и .

Толщина h и площадь электродов S_э сегнетоэлектрического конденсатора указывается преподавателем. Результаты занести в табл.7.1.
3. По полученным данным построить основную кривую заряда сегнетоэлектрического конденсатора в виде зависимости Q_x = f(E_1max).
4. По данным табл.7.1 вычислить значение статической емкости С_ст при различных напряжениях, а затем статической диэлектрической проницаемости ε_ст, используя следующие формулы:

; ,

где ε_о = 8,85 ^. 10^-12 Ф/м - электрическая постоянная.

Результаты занести в табл.7.1.
5. Используя полученные результаты, построить зависимость статической диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля в виде кривой

---

.
6. По данным 7.3.3 вычислить емкость С_р. реверсивную диэлектрическую проницаемость ε_p и напряженность постоянного электрического поля Е₂ по формулам:

; ; ,

где U₂ - постоянное напряжение смещения на сегнетоэлектрическом конденсаторе.

Результаты занести в табл.7.2.
7. По данным таблицы 7.2 построить зависимость реверсивной диэлектрической проницаемости от напряженности постоянного электрического поля ε_p = f(Е₂) при неизменных значениях амплитуды переменного поля E_1m.
8. По данным 7.3.4 вычислить емкость С_эф и начальную диэлектрическую проницаемость Е_нач по формулам:
С_эф ⁼ C₀₂U₃/U_х - C₀₂U₃/(U₁ – U₃) ≈ C₀₂U₃/U₁;
ε_нач = (С_начh )/( ε₀ S_э),
где h и S_э - размеры исследуемого конденсатора.

Результаты занести в табл.7.3.
9. По полученным данным построить температурную зависимость начальной диэлектрической проницаемости ε_нач = f(t).

По максимуму этой зависимости определить точку Кюри исследуемого сегнетоэлектрического материала.

7.5. Контрольные вопросы
1. Каковы отличительные особенности сегнетоэлектриков? Назовите области применения сегнетоэлектриков.

2. Почему на экране осциллографа можно наблюдать зависимость Q= f(U) для исследуемого сегнетоэлектрического конденсатора? Какие параметры сегнетоэлектрика можно определить по виду петли гистерезиса?

3. Что называют точкой Кюри? Почему в точке Кюри диэлектрическая проницаемость максимальна?

4. Что характеризует площадь петли гистерезиса? Как она изменится при увеличении температуры?

5. Объясните ход зависимостей , ε_p = f(Е₂).
8. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРОМАГНИНЫХ МАТЕРИАЛОВ
8.1. Основные понятия и определения
К ферромагнитным относят материалы с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Особые свойства ферромагнетиков обусловлены наличием у них в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) намагниченности и доменной структуры. Для осуществления спонтанной намагниченности необходимо выполнение по крайней мере двух условий: в состав материала должны входить атомы или ионы металлов, имеющих недозаполненные внутренние, например 3d, электронные оболочки (к таким металлам относятся железо, никель, кобальт и др.);

---