Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" icon

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків"




Скачати 138.66 Kb.
НазваМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків"
Дата27.09.2012
Розмір138.66 Kb.
ТипМетодичні вказівки


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО





МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “ФІЗИКА

“ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СЕГНЕТОЕЛЕКТРИКІВ”

(РОЗДІЛ “ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ”)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ





КРЕМЕНЧУК 2011


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків» ( розділ “Електрика і магнетизм ”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання


Укладачі: старш. викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н. І.Мотрій ,

доц. О.І. Сукачов


Рецензент доц. Ю.Г. Мичковський


Кафедра фізики


Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського

Протокол № ______ від _____________

Заступник голови методичної ради ________________ доц. С.А. Сергієнко


ВСТУП


Дані методичні вказівки розроблені з метою допомогти студентам у комплексному засвоєні певної теми курсу фізики. З цією метою перш за все наведено досить розгорнуті теоретичні відомості з даної теми курсу. Ефективне засвоєння теоретичних відомостей неможливе без набуття практичних навичок засвоєних при розв’язанні задач. Для цього розглянуто достатню кількість прикладів розв’язання задач, а також задачі для самостійної роботи, що дозволяє студентам контролювати якість засвоєння учбового матеріалу.

Фізика є експериментальна наука. Тому невід’ємним елементом курсу фізики є лабораторний практикум. В методичних вказівках детально описано принципові основи того експериментального методу, який застосовується в даній роботі, на основі чого студент зможе зрозуміти зміст своїх дій при виконанні лабораторної роботи. Значна увага приділяється також правильній обробці результатів вимірювань.

Обробка даних сучасного фізичного експерименту базується на широкому використанні комп’ютерів. Тому в методичних вказівках наведено інструкцію щодо оформлення звіту про виконання лабораторної роботи із застосуванням табличного редактора Excel для Windows.


^ ЛАБОРАТОРА РОБОТА № 2-4

ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СЕГНЕТОЕЛЕКТРИКІВ

ТЕМА: ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ В ДІЕЛЕКТРИКАХ

МЕТА: вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків.

Визначення величини повної, спонтанної, індукованої та залишкової

поляризованості за петлею гістерезису.

^ ТЕХНІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ

Електронний осцилограф, лабораторний автотрансформатор, реостат, зразок сегнетоелектрика з допоміжним конденсатором на підставці, з'єднувальні провідники, інженерний калькулятор.

^ КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Існує особлива група кристалічних діелектриків, електричні властивості яких відрізняються від електричних властивостей більшості кристалічних діелектриків. Речовини цієї групи називають сегнетоелектриками за назвою першої дослідженої речовини – сегнетової солі (NaKC4H4O8).

Вивчення властивостей і структури сегнетоелектриків довело, що вони складаються з доменів – ділянок речовини зі спонтанною поляризацією. Кожен домен складається з великої кількості молекул, електричні моменти яких орієнтовані однаково. Поза електричним полем у сегнетоелектрикові без електричної передісторії поля різних доменів орієнтовані випадково і результуюча поляризованість його дорівнює нулю (рис.1). При накладанні на сегнетоелектрик зовнішнього електричного поля електричні моменти доменів (усіх або частини їх) орієнтуються у напрямку поля. Залежність поляризованості сегнетоелектрика від напруженості поля показана на рис. 2. Точка А графіка відповідає повній орієнтації електричних моментів усіх доменів у напрямку поля (електричне насичення, рис.2). Подальше збільшення напруженості поля спричиняє незначне збільшення поляризованості за рахунок електронної (індукованої) поляризації, зумовленої деформацією електронних оболонок молекул.


На рис. 2 індукованій поляризації відповідає ділянка графіка АВ. При зменшенні напруженості зовнішнього поля до нуля (ділянка графіка ВМ) частина доменів зберігає орієнтацію вздовж колишнього напрямку поля (рис.4).

На графіку (див. рис. 2) відрізок ОМ відповідає залишковій поляризованості сегнетоелектрика. Для зруйнування її на сегнетоелектрик потрібно накласти електричне поле з напруженістю - Е1. Напруженість поля, руйнуйочого залишкову поляризованість діелектрика, дорівнює коерцитивній силі. Збільшення напруженості поля, протилежного початковому напрямку, знову призводить до електричного насичення сегнетоелектрика (точка A' на графіку).

Повна поляризованість сегнетоелектрика,

де - спонтанна поляризованість; - індукована поляризованість.

Н
а рис. 2 точка В1 - проекція точки В на вісь ординат, точка А1- перетин осі ординат продовженням ділянки графіка АВ. Відрізок ОМ відповідає залишковій поляризованості.

; ; .

Механізм поляризації сегнетоелектриків наведено на рис.3 та рис. 4.

С
пеціальні склади на основі сегнетоелектриків (електрети) можуть зберігати залишкову поляризацію протягом тривалого проміжку часу.

Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків залежить

від напруженості електричного поля (максимум її зумовлений станом електричного насичення), а також від температури. Приклад такої залежності для сегнетової солі в слабких полях наведено на рис.5. Сегнетоелектричні властивості діелектриків виявляються тільки в певному інтервалі температур. У цьому інтервалі температур тепловий рух молекул сприяє орієнтації електричних моментів молекул доменів уздовж одного і того самого напрямку. Зовнішнє електричне поле руйнує зв'язки між доменами і залежно від величини напруженості слабо, сильно і повністю орієнтує поля доменів вздовж напрямку поля. Взаємодія молекул і тепловий рух їх можуть руйнувати домени. Зокрема, при температурах t>250C і t<-200C доменна структура сегнетової солі руйнується. Верхня і нижня температури, при яких сегнетоелектрик стає звичайним кристалічним діелектриком, - це верхня і нижня точки Кюрі.

Два максимуми відносної діелектричної проникності сегнетової солі (див. рис.5) спостерігаються поблизу нижньої та верхньої точок Кюрі. Сегнетоелектричні властивості титанату барію зберігаються в більш широкому інтервалі температур, ніж для сегнетової солі. Цим і зумовлено застосування його як діелектрика конденсаторів великої ємності й генератора для отримання ультразвукових хвиль.

^ Метод вимірювання

У роботі досліджується титанат барію. Якщо до зразка титанату барію прикласти різницю потенціалів, то на його поверхнях, перпендикулярних до напрямку поля, утворяться пов'язані заряди, зумовлені спонтанною та індукованою поляризаціями. Величина заряду на поверхні діелектрика

, (1)

де  - поверхнева щільність пов'язаних зарядів; S - площа діелектрика. Повний електричний момент усього діелектрика

, (2)

де l - товщина діелектрика; V - об'єм діелектрика. Поляризованість одиниці об'єму діелектрика

, (3)

На горизонтально відхиляючі пластини Х осцилографа подається частина змінної напруги, підведеної до реостата. Генератор розгортки осцилографа відключається, і підведена до горизонтальних пластин напруга виконує функцію розгортки. На вертикально відхиляючі пластини Y подається напруга, припадаюча на допоміжний конденсатор . Конденсатор з титанатом барію та допоміжний конденсатор увімкнені послідовно, і тому заряд на їх обкладках буде однаковий

, (4)

де - напруга на допоміжному конденсаторі; - напруга на зразку титанату барію. Таким чином, вертикальне відхилення променя осцилографа пропорційне до заряду на досліджуваному конденсаторі та поляризованості зразка. Промінь осцилографа під дією заряду на конденсаторі і напруги, прикладеної до пластин ^ Х осцилографа, за повний період змінення опише замкнуту криву – петлю гістерезису. Знаючи чутливість y трубки осцилографа для вертикально відхиляючих пластин, можна обчислити напругу U0 і величину заряду Q. За відомим Q відповідно до (4) можна обчислити повну поляризованість Рп.

При напрузі на допоміжному конденсаторі

, (5)

де - число поділок ординати на сітці осцилографа між точками О і В1 (див. рис. 2).

Повна поляризованість одиниці об'єму діелектрика (3)

, (6)

Спонтанна Pc=OA1, залишкова Р0=ОМ і індукована Рі1В1 поляризованості обчислюються за формулами:

, (7)

, (8)

, (9)

де Nc, No, Ni – кількість поділок шкали осцилографа, відповідні відрізкам ОА1, ОМ і А1В1 (див. рис. 2). Відносна помилка вимірювання повної поляризованості

, (10)

причому Nn визначається як номінальна помилка шкали осцилографа. Відносні помилки вимірювання Рс, Ро і Рi визначаються за формулами, аналогічними (26). Абсолютна помилка вимірювання повної поляризованості

РппЕп. (11)

Абсолютні помилки вимірювання Рс, Ро, Рi визначаються аналогічно (11).

Для обчислень прийняти:

y=40,5 ny мм/В; S=5 мм2; С0=1 мкФ,

де ny – кількість поділок за шкалою вертикального підсилювача осцилографа. Одна найменша поділка шкали осцилографа дорівнює 2 мм.


^ ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Складають електричне коло відповідно до рис.6. Рукоятку "діапазони частот" осцилографа ставлять в положення "нуль".

2. Вмикають осцилограф. За допомогою рукояток "смещение Х" і "смещение Y" установлюють зображення світлової точки в центрі координатної сітки екрана осцилографа.

3. Вмикають автотрансформатор. За допомогою регулятора напруги автотрансформатора і реостата на екрані осцилографа отримують стійке зображення петлі гістерезису. Точність відліку за шкалою зростатиме зі збільшенням розтягнення петлі по осі ординат. Позначають число поділок ny за шкалою вертикального підсилювача.

4. Зчитують за сіткою шкали осцилографа числа поділок Nn, роблять зарисовку фігури з дотриманням масштабу і вимикають апаратуру.

5. За формулами (6) — (9) обчислюють значення Рn, РС, Р0, Рі. За формулами (10)—(11) обчислюють відносні та абсолютні помилки вимірювань для чотирьох значень поляризованості.

6. Результати роботи наводять до табл. 1.

Т а б л и ц я 1

Вид поляризованості

N, мм

N, мм

Р, Кл/м2

Р, Кл/м2

, %

Повна
















Спонтанна
















Залишкова
















Індукована

















^ Зміст звіту

Назва і номер лабораторної роботи, розрахункові формули, схема електричного кола, таблиця результатів роботи.

Контрольні питання

  1. Що являють собою домени сегнетоелектриків і як орієнтовані вони поза електричним полем?

  2. Як впливає на просторову орієнтацію доменів зовнішнє електричне поле?

  3. Чи можна збільшити поляризованість сегнетоелектрика після того, коли всі домени його вже орієнтовані вздовж напрямку зовнішнього поля?

  4. У чому полягає і як пояснюється залишкова поляризованість сегнетоелектриків?

  5. Що називається коерцитивною силою?

  6. З яких складових складається поляризованість сегнетоелектрика?

  7. У чому полягають електричні властивості речовин, що називаються електретами?

  8. Як залежить відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків від напруженості електричного поля?

  9. Як залежить відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків від температури?

  10. Що називається верхньою і нижньою точками Кюрі для сегнетоелектриків?

  11. Яку роль відіграє тепловий рух молекул в утворенні й руйнуванні доменів сегнетоелектриків?

  12. Виведіть зв'язок між напругою на конденсаторі й поверхневою густиною поєднаних зарядів діелектрика конденсатора.

  13. Як можна визначити експериментально повну, спонтанну, залишкову й індуковану поляризованості сегнетоелектрика?

  14. На що впливає зміна опору R потенціометра в експериментальній установці?

  15. Для чого до схеми досліду введено конденсатор С0? Чи буде працювати схема без нього?



Приклади розв’язування задач


Приклад № 4.1

Між обкладками плоского конденсатора, зарядженого до різниці потенціалів 1,5 кВ, затиснута парафінова пластинка (=2) товщиною 5 мм. Визначити поверхневу густину зв’язаних зарядів на парафіні.


u = 1,5 кВ=1,5 10з В Розв’язок

=2 , де D і відповідно вектори електричного

d=5 мм=510м зміщення та напруженості конденсатора,


Визначити : `. P- вектор поляризованості діелектрика. Оскільки


вектори D та нормальні до поверхні діелектрика, то = і . Тоді можемо записати де `, тобто поляризованість діелектрика дорівнює поверхневій густині поєднаних зарядів діелектрика (враховуючи, що ). Тоді:

.

Враховуючи, що і ,

де - відстань між обкладками конденсатора, знайдемо:



обчисливши, отримаємо:

.




Задачі

4.1 В однорідне електростатичне поле напруженістю перпендикулярно до поля поміщається нескінчена плоскопаралельна скляна пластина (=7). Знайти: 1) напруженість електростатичного поля в середині пластини; 2) електричне зміщення всередині пластини; 3) поляризованість скла; 4) поверхневу густину зв’язаних зарядів на склі.

4.2 Простір між пластинами плоского конденсатора заповнений парафіном (=2). Відстань між пластинами d=8,85 мм. Яку різницю потенціалів необхідно подати на пластини , щоб поверхнева густина зв’язаних на парафіні складала 0,1?

4.3 Відстань між пластинами плоского конденсатора складає d =5 мм. Після зарядки конденсатора до різниці потенціалів U=500 В між пластинами конденсатора помістили скляну пластинку (=7) . Визначити : 1) діелектричну проникність скла; 2) поверхневу густину зв’язаних зарядів на скляній пластині.

4.4 Між пластинами плоского конденсатора поміщено два діелектрики - слюдяна пластина (=7) завтовшки d1=1 мм та парафін (=2) завтовшки d2=0,5 мм. Знайти : 1) напруженості електростатичних полів у шарі діелектрика; 2) електричне зміщення ,якщо різниця потенціалів між пластинами конденсатора U=500 В.

4.5 Відстань між пластинами плоского конденсатора складає d=1 см, різниця потенціалів U=200 В. Визначити поверхневу густину зв’язаних зарядів ебонітової пластинки (=3) завтовшки d=8 мм, яка поміщена на нижню пластину конденсатора.


^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Трофимова Т. И. Курс физики.-М.:Высшая школа, 1999 – 542 с.

2. Савельєв И.В. Курс общей физики в 3 томах: - М.: Наука, 1978. - Т.2- 345с

3. Детлаф А.А. Курс фізики у 2 томах. - М.: Вищ.школа, 1977. - Т.2- 431с.

4. Кухлінг Х. Довідник з фізики. - М.: Наука, 1982- 348с.

Додаток

Інструкція щодо оформлення звіту

про виконання лабораторної роботи з фізики

із застосуванням табличного редактора Excel для Windows

  1. Після виконання лабораторної роботи і вивчення інструкції щодо оформлення звіту в присутності викладача або лаборанта ввімкнути персональний комп’ютер.

  2. На диску "D", у папці "Студенти" знайти папку своєї групи, (наприклад, шляхом D:\Студент\СУ-07-1), в цій папці знайти файл табличного редактора Excel із зразками звітів* (наприклад, "Зразок лаб") і відкрити його за допомогою команди „Открыть” в меню „Файл” або за допомогою комбінації клавіш „Ctrl+O(лат.)”.

  3. У книзі (файлі) "Зразок лаб" у вікні редактора Excel знайти ярлик відповідного листка (наприклад, "Лаб 2-10") і перейти на цей листок.

  4. Внести в комірки таблиць, які виділені кольоровою заливкою, результати вимірів.

  5. У результаті відбудеться обчислення даних за відповідними формулами і побудова відповідних графіків.

  6. Внизу сторінки листа заповнити комірки: "номер групи", "П.І.П", "дата", які виділені кольоровою заливкою. Для цього потрібно виділити відповідну комірку і після завершення уведення даних натиснути клавішу „Tab” або „Enter”.

  7. Після цього в меню „Файл” виконати команду „Сoхранить как..”, увести ім'я файла (наприклад, "Іванов-лаб") і зберегти файл у відповідній папці групи (наприклад, у папці "СУ-07-1" шляхом D:\Студент\СУ-07-1\Іванов-лаб).

  8. За необхідності увімкнути принтер, вставити в нього аркуш паперу і роздрукувати сторінку з результатами вимірювань і графіком за допомогою команди 'Печать..' в меню 'Файл'.

  9. Завершити роботу в редакторі Excel через меню „Файл”, виконавши команду „Выход”, або за допомогою комбінації клавіш „Alt+F4”.

  10. Вимкнути комп'ютер через меню „ПУСК”, „Завершение работы”, „Выключить компьютер”, „Да”.

*Примітка: в подальшій роботі відкривати файл під своїм прізвищем.


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика“ “Вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків“ (розділ “Електрика і магнетизм“) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання.


Укладачі: старш. викл. В.І. Скобель, старш. викл. Н.І. Мотрій,

доц. О.В. Сукачов


Відповідальний за випуск зав. кафедри фізики проф. О.І. Єлізаров


Підп. до др. _________ . Формат 60x84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк.__1__. Наклад _ 50 _ прим. Зам. № . Безкоштовно


Видавничий відділ КНУ

39614, м. Кременчук вул. Першотравнева, 20


Схожі:

Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення магнітних властивостей феромагнетиків"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення магнітних властивостей феромагнетиків”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " визначення роботи виходу електрона"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення роботи виходу електрона” ( розділ...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення ємності конденсатора мостовою схемою"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика “ “Визначення ємності конденсатора мостовою...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " дослідження дифракції світла на вузькій щілині "
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дифракції світла на вузькій щілині”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення показника заломлення рідини рефрактометром"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення показника заломлення рідини рефрактометром”...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "дослідження електростатичних полів методом зонда"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження електростатичних полів методом...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "дослідження дисперсії світла у склі за допомогою гоніометра"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дисперсії світла у склі за допомогою...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення радіуса кривини лінзи за кільцями ньютона"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення радіуса кривини лінзи за кільцями...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconМетодичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення кута повороту площини поляризації світла"
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення кута повороту площини поляризації...
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни \" фізика \" \"вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків\" iconРоботи
Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення періоду дифракційної ґратки” (розділ...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи