I Pracownia fizyczna ćwiczenie nr 16 (elektrycznoś ć)

Transkrypt

1 BADANIE PĘTLI HISTEREZY DIELEKTRYCZNEJ SIARCZANU TRÓJGLICYNY Zagadnienia: 1. Pole elektryczne wewnątrz dielektryków. 2. Własnoś ci ferroelektryków. 3. Układ Sowyera-Towera. Literatura: 1. Sz. Szczeniowski, Fizyka doś wiadczalna, cz. III, Elektrycznoś ć i magnetyzm. 2. Eksperymentalna chemia fizyczna, praca zbiorowa pod redakcją L. Sobczyka. 3. I. W. Sawieliew, Kurs fizyki, t. 2, Elektrycznoś ć i magnetyzm. Fale. Optyka. 4. A. K. Wróblewski, J. A. Zakrzewski, Wstę p do fizyki, t. 2, cz II Pracownia fizyczna, Ć wiczenia laboratoryjne z fizyki dla zaawansowanych, pod redakcją F. Kaczmarka. Definicje podstawowych poję ć i wielkoś ci wystę pują cych w ć wiczeniu: Na rys. 1 przedstawiono parametry pę tli histerezy ferroelektrycznej, których wartoś ci dla siarczanu trójgliceryny mierzy się w ć wiczeniu. P S polaryzacja spontaniczna polaryzacja odwracalna P r polaryzacja pozostała E C pole koercji Rys. 1 Parametry pę tli histerezy ferroelektrycznej. Polaryzacja P jest liczbowo równa momentowi dipolowemu przypadającemu na jednostkową obję toś ć pi i substancji: P =, gdzie p i elementarny moment dipolowy i (jak łatwo wykazać ) gę stoś ci V powierzchniowej ładunków związanych. -1-

2 Rys. 2 Schemat układu pomiarowego (wg Sawyera i Towera). Podatnoś ć dielektryczna χ jest współczynnikiem, który wiąż e natę ż enie pola elektrycznego i polaryzację : = χε E. P 0 Wykonanie ć wiczenia: 1.Połączyć poszczególne elementy układu pomiarowego wg schematu przedstawionego na rys. 2. Uwaga: Przystawka pomiarowa jest połączona z oscyloskopem przewodami zakoń wtykami BNC. Bez wyraź nej potrzeby tych połączeń nie należ y zmieniać. czonymi Woltomierz wskazuje napię cie skuteczne, a wskazania oscyloskopu są związane z amplitudą napię cia U osc = 2 U sk. 2. Otworzyć zawór przepływu wody termostatującej komorę pomiarową z próbką. 3. Włączyć oscyloskop. Po upływie około 5 min. od włączenia, ustalić położ enie plamki na ś rodku ekranu. 4. Za pomocą pokrę tła autotransformatora ustalić wartoś ć napię cia U sk = 100 V. 5. Skompensować przewodnoś ć próbki. Jeż eli przewodnictwo elektryczne próbki jest wię ksze niż przewodnictwo kondensatora pomiarowego C 0 wówczas należ y za pomocą oporu R, połączonego równolegle z kondensatorem C 0, skompensować przewodnictwo próbki tak, aby zachodziła równoś ć C 0 R = C p R p, gdzie C p, R p oznaczają odpowiednio pojemnoś ć i opór próbki. Warunek ten sprawdza się na ekranie oscyloskopu (rys. 3). Rys. 3 Wpływ doboru parametrów kompensacji RC 0 na kształt pę tli histerezy. -2-

3 6. Sprawdzić, czy ustalone wartoś ci współczynników wzmocnienia toru X = 1 V/cm oraz toru Y = 10 mv/cm zapewniają moż liwoś ć pomiaru parametrów pę tli wyszczególnionych na rys. 1. Uwaga: Pokrę tła 15 i 16 oscyloskopu powinny znajdować się w prawym skrajnym położ eniu (cal), zaś przełączniki 11 i 12 w pozycji DC. 7. Dla napię cia U sk = 100 V zmierzyć wartoś ć Y s konieczną do wyznaczenia polaryzacji spontanicznej. 8. Wykonać pomiary X, X c, Y dla kilkunastu wartoś ci napię cia U sk < 100 V. Uwaga: Pomiary X wykonać w położ eniu GND przełącznika 12, zaś pomiary Y przy ustawieniu GND przełącznika 11 oscyloskopu. 9. Na podstawie pomiarów obliczyć wartoś ci zewnę trznego pola elektrycznego E, pola koercji E c, polaryzacji odwracalnej oraz efektywnej podatnoś ci dielektrycznej χ ef. 10. Sporządzić wykresy zależ noś ci pola koercji E c oraz efektywnej podatnoś ci dielektrycznej χ ef od natę ż enia pola elektrycznego E. 11. Na podstawie wykresu zależ noś ci polaryzacji spontanicznej P s od temperatury T dla siarczanu trójgliceryny (patrz załączony rys. 4) dla wyznaczonej wartoś ci P s okreś lić temperaturę próbki w czasie pomiarów. Do obliczeń wykorzystać nastę pują ce zależ noś ci: U sk E = 2, d gruboś ć próbki, d X c Ec = E, X Y P wy C0 =, w y współczynnik wzmocnienia toru Y (skala wokół przełącznika 14 S oscyloskopu), C 0 pojemnoś ć kondensatora pomiarowego, S pole powierzchni elektrod naniesionych na powierzchnię próbki, Ys wy C0 Ps =, S χ ef =. 2 ε E 0 Tabela pomiarów: U sk [V] X X c Y E [V/cm] E c [V/cm] [µc/cm 2 ] χ P s [µc/cm 2 ] S = 1.1 [cm 2 ] C 0 = 2.2 [µf] d = 0.25 ε 0 = 8.85*10-12 [F/m] -3-

4 -4-

5 -5-