Лабораторная работа n 2-11 й исследование сегнетоэлектрических своиств триглицинсульфата

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследовать температурную зависимость спонтанной поляризации и коэрцитивного поля сегнетоэлектрика триглицин- сульфата. Определить температуру Кюри.

ОБОРУДОВАНИЕ: Электронный осциллограф. Цифровой килоомметр. Установка Сойера-Тауэра.

Краткая теория

Диэлектрик, помещенный в электрическое поле, поляризуется, т.е. приобретает электрический дипольный момент. При этом в зависимости от молекулярного строения диэлектрика, в нем будут происходить различные процессы. В так называемых неполярных диэлектриках под действием электрического поля происходит смещение "центра тяжести" положительных и отрицательных зарядов молекул и атомов. В результате каждая элементарная ячейка приобретает индуцированный дипольный момент. В полярных диэлектриках молекулы уже обладают постоянным дипольным моментом, но тепловое движение поддерживает хаотическую ориентацию диполей. В электрическом поле происходит их ориентация в определенном направлении.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется поляризованностью P, которая численно равна суммарному дипольному моменту единицы объема.

(1)

В большинстве диэлектриков вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля

P=æ₀E (2)

Коэффициент пропорциональности æ называется диэлектрической восприимчивостью диэлектрика.

Поляризация диэлектрика приводит к появлению на его границах связанных зарядов, поле которых ослабляет поле в диэлектрике.

Поверхностная плотность  связанных зарядов численно равна поляризованности P = ’ . Результирующее поле внутри диэлектрика

E = E₀ - E' (3)

состоит из внешнего поля созданного свободными зарядами с поверхностной плотностью  и поля связанных зарядов , направленного против внешнего поля. Ослабление поля в диэлектрике характеризуется диэлектрической проницаемостью 

 =1+ æ=

Рис. 1.

Сегнетоэлектрики - это диэлектрики, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией P в отсутствие электрического поля. Спонтанная поляризация ячеек кристалла имеет одинаковое направление в пределах макроскопических (т.е. содержащих очень большое число элементарных ячеек) областей, называемых доменами. Обычно домены имеют размеры порядка 1-10 мкм.

Направления поляризации в соседних доменах отличаются, поэтому в отсутствие электрического поля в состоянии равновесия средняя поляризация образца равна нулю (что соответствует минимуму его энергии).

На рис. 2 показана доменная структура изучаемого в этой работе сегнетоэлектрика - триглицинсульфата. Этот кристалл имеет лишь два возможных направления P , что обусловлено его кристаллической симметрией, в других кристаллах их может быть больше.

Если образец поместить в электрическое поле, то энергетически более выгодными будут домены с параллельным полю (или близким к нему) направлением спонтанной поляризации. Доменная структура начнет изменяться "в пользу" указанных доменов за счет движения доменных стенок, а также появления и роста зародышей новых доменов (рис. 2, б).

Рис. 2. Схема доменной структуры триглицинсульфата.

а) - в отсутствие электрического поля.

б) - изменение доменной структуры в электрическом поле.

Средняя поляризация образца станет отличной от нуля. Зависимость поляризации образца от напряженности поля у сегнетоэлектриков, в отличие от обычных диэлектриков, нелинейная (рис. 3, а).

а) б)

Рис. 3. Зависимости P(E).

а) 1 - для линейного диэлектрика.

2 - начальная кривая поляризации сегнетоэлектрика.

б) - петля гистерезиса для циклической переполяризации.

На участке o-a поляризация образца растет за счет изменения доменной структуры. Когда образец станет монодоменным, т.е. будет представлять единый домен, поляризация с ростом поля будет незначительно возрастать за счет индуцированного увеличения дипольного момента каждой элементарной ячейки. Этот участок a-b называется участком насыщения. Если данный участок насыщения экстраполировать до пересечения с осью P (E = 0), мы получим величину поляризации монодоменного кристалла в отсутствие электрического поля, т.е. величину спонтанной поляризации кристалла P_S .

Если образец заполяризировать до насыщения (начальная кривая o-a-b), а затем уменьшить поле до 0, то деполяризация образца будет происходить не по начальной кривой, а по некоторой кривой b-c (рис. 3, б). При E = 0 образец будет иметь остаточную поляризацию P_r . Это происходит из-за того, что при снятии поля вследствие эффектов "трения" доменная структура не восстанавливает начальную конфигурацию. Для полной деполяризации образца необходимо приложить обратное поле напряженностью E₀ . Это поле называется коэрцитивным.

При дальнейшем увеличении обратного поля зависимость P(E) снова выходит на насыщение (кривая d-e). Если поле изменять циклически, то в следующем полуцикле изменения поля поляризация кристалла будет изменяться согласно кривой f-g-b. Кривая зависимости P(E) называется петлей диэлектрического гистерезиса. Петля гистерезиса характеризует неоднозначную зависимость P(E) в зависимости от предыстории образца.

С ростом температуры, как правило, величины P_S и E₀ уменьшаются и при некоторой температуре сегнетоэлектрические свойства кристалла исчезают. Температура перехода в не сегнетоэлектрическое (параэлектрическое) состояние называется температурой Кюри. В точке Кюри происходит изменение кристаллической структуры вещества (фазовый переход).