Поляризация диэлектрика
Установка для исследования пьезоэлектрического эффекта. Исследование поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и определение пьезомодуля продольных колебаний в пьезокерамике. Исследуемые закономерности эффекта.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 04.12.2019 |
| Размер файла | 58,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лабораторная работа
Поляризация диэлектрика
Приборы и принадлежности: установка для исследования пьезоэлектрического эффекта.
Цель работы: исследование поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и определение пьезомодуля продольных колебаний в пьезокерамике.
Установка для исследования пьезоэлектрического эффекта (см. рисунок), используемая в работе, состоит из операционного усилителя (ОУ), включенного по схеме интегратора, измерительных электродов (Э 1 и Э 2), подключенных к входу операционного усилителя, вольтметра V, измеряющего напряжение на выходе операционного усилителя и рычажного устройства (РУ), позволяющего регулировать силу нагрузки F на исследуемый пьезоэлектрик (ПЭ), который помещается между измерительными электродами. Пьезоэлектрик цилиндрической формы нагружается силой F, которая меняется за счет перемещения груза вдоль рычага. Отсчет силы производится по шкале.
Силу можно сделать равной нулю, слегка приподнимая кверху рычаг с грузом. Так как потенциалы электродов Э 1 и Э 2 равны то, обусловленный действием силы Р, связанный заряд на поверхности ПЭ равен индуцированному на электродах Э 1 и Э 2 заряду. Если силу сделать равной нулю, то заряды, индуцированные на электродах нейтрализуются. Измерение протекшего при нейтрализации заряда Q осуществляется операционным усилителем ОУ с конденсатором С в цепи обратной связи. При снятии нагрузки F весь заряд Q перейдет на конденсатор С и напряжение V на конденсаторе (т. е. на выходе ОУ)
где - поверхностная плотность связанных (поляризационных) зарядов, S - площадь торцевой поверхности ПЭ.
Задание по подготовке к работе: при подготовке к работе учащийся должен поляризация диэлектрик напряжение
1) изучить описание работы и продумать ответы на контрольные вопросы;
2) подготовите общую часть отчета по лабораторной работе, содержащую титульный лист, краткое описание исследуемых закономерностей, задачи эксперимента, описание (схема или эскиз) лабораторной установки и методики проведения эксперимента;
3) подготовить протокол наблюдений с соответствующими таблицами.
Исследуемые закономерности
Пьезоэлектрический эффект. В некоторых кристаллах поляризация возникает не только под действием внешнего электрического поля, но и при механической деформации. Это явление получило название пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Если кристаллические решетки положительных и отрицательных ионов, из которых построены такие кристаллы, под действием внешних сил деформируются по-разному, то в противоположных местах на поверхности кристалла выступают электрические заряды разных знаков. Это и есть прямой пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектриками являются монокристаллы, природные или выращенные искусственно, такие как кварц, сегнетова соль, а также поликристаллические твердые растворы, подвергнутые предварительной поляризации в электрическом поле, так называемые пьезокерамики.
Чтобы обнаружить, использовать или измерить пьезоэлектрические заряды на определенные грани пьезоэлектрика накладывают электроды. При деформации на разомкнутых электродах появляется разность потенциалов, если электроды замкнуты, на них образуются индуцированные заряды, равные по величине и противоположные по знаку поляризационным зарядам. Если деформацию убрать, то пьезоэлектрические заряды исчезнут, а между электродами пройдет суммарный заряд, который можно измерить. Этот заряд равен пьезоэлектрическому заряду.
Количественной характеристикой пьезоэффекта является совокупность модулей, т.е. коэффициентов пропорциональности в соотношениях между механическими и электрическими величинами. Например, поляризация Р, возникающая в пьезоэлектрике под действием однородного механического напряжения Т, выражается соотношением
P = dT (2)
где d - один из пьезомодулей. Для продольных колебаний в пьезокерамике значение коэффициента d порядка 10-10 Кл/Н.
Учитывая, что модуль вектора поляризации P равен поверхностной плотности поляризационных зарядов , получим, что при механическом напряжении на пьезоэлектрике в 1 Н/м 2, на его поверхности образуется заряд с плотностью = 10-10 Кл/м 2. Так как Р = и T= F/S, получаем,
Q = UC = S = dTS = dF
то есть, выражение, аналогичное формуле (2), а именно:
Q = dF (3)
Прямой пьезоэффект используется в устройствах для восприятия акустических сигналов и преобразования их в электрические с целью измерения, передачи, воспроизведения, записи или анализа.
Указания по проведению наблюдений:
1. Включить измерительную установку.
2. Перемещением груза установить по шкале значение силы Fi, начав с наименьшего. Записать установленное значение в протокол наблюдений.
3. Нажатием кнопки К разрядить конденсатор С.
4. Снять нагрузку с ПЭ, для чего поднять кверху рычаг с грузом и записать максимальное значение изменения выходного напряжения Ui.
5. Наблюдения по п. 2, 3 и 4 выполнить для разных значений Fi, (не менее 10 значений, более или менее равномерно распределенных по шкале).
Задание по обработке результатов
1. Рассчитать значения величины связанных поляризованных зарядов на исследуемом образце, воспользовавшись измеренными значениями Ui . Значение емкости конденсатора С указано на панели установки.
2. Определение значения пьезомодуля d. Пьезомодуль d определяется из наклона прямых, которые могут быть построены по выражениям (2) и (3).
Обработка экспериментальных результатов, соответствующих линейным зависимостям, обычно проводится по методу наименьших квадратов. В нашем случае обработка результатов сводится к поиску параметров прямой вида y = kx, для которой значение k находится из минимума суммы квадратов отклонений экспериментальных значений от проводимой прямой. Для этого минимизируется соотношение вида
, (4)
из которого прямым дифференцированием по k находится условие искомого минимума суммы квадратов отклонений.
В работе рекомендуется построить график зависимости связанных поляризованных зарядов от приложенной силы (3), проведя через полученные экспериментальные значения прямую с угловым коэффициентом
d = ,
который и будет искомым значением пьезомодуля.
Погрешность определения пьезомодуля d оценивается из выражения
,
где N - число наблюдений.
1. Показания прибора, а также полученные в ходе вычисления по формуле Q = UC значения величины связанных поляризационных зарядов, указаны ниже в таблице:
|
i |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
Fi, Н |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
|
|
Vi, В |
4,0 |
4,2 |
4,9 |
5,8 |
6,2 |
6,8 |
7,1 |
7,9 |
8,8 |
9,8 |
|
|
Qi, нКл |
9,6 |
10,08 |
11,76 |
13,92 |
14,88 |
16,32 |
17,04 |
18,96 |
21,12 |
23,52 |
Определение значения пьезомодуля d.
График зависимости связанных поляризационных зарядов от приложеннойсилы
Вывод
В ходе этой лабораторной работы мы исследовали поляризацию диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и определили пьезомодуль продольных колебаний в пьезокерамике.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Характеристика пьезоэлектрического эффекта. Изучение кристаллической структуры эффекта: модельное рассмотрение, деформации кристаллов. Физический механизм обратного пьезоэлектрического эффекта. Свойства пьезоэлектрических кристаллов. Применение эффекта.
курсовая работа [718,8 K], добавлен 09.12.2010Понятие молекулярной связи как самой непрочной, ее сущность и особенности. Зависимость эффекта дипольной поляризации в вязкой среде от увеличения ее температуры. Зависимость диэлектрической проницаемости тел от структурных особенностей диэлектрика.
контрольная работа [19,8 K], добавлен 06.04.2009Двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий: механических деформациях тел, электрического поля (эффект Керра), магнитного поля (явление Коттон-Мутона). Явление вращения плоскости поляризации в теории Френеля, сущность эффекта Фарадея.
реферат [39,9 K], добавлен 17.04.2013Поворот плоскости поляризации света под действием магнитного поля. Характеристики оптических циркуляторов. Коэффициент отражения, использование эффекта Фарадея. Использование двулучепреломляющих элементов из кристалла рутила в качестве поляризаторов.
доклад [417,8 K], добавлен 13.07.2014Физические основы ультразвука — упругих колебаний, частота которых превышает 20 КГц , распространяющихся в форме продольных волн в различных средах. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта. Медицинские области применения ультразвуковых исследований.
контрольная работа [88,0 K], добавлен 06.01.2015Диэлектрики (изоляторы) — вещества, практически не проводящие электрический ток. Физические свойства: потери и пробой диэлектрика, поляризация во внешнем электрическом поле. Пьезоэлектрики: кварц, пьезоэлектрические преобразователи; пироэлектрики.
контрольная работа [61,6 K], добавлен 15.06.2014Характеристика магнитоупругого эффекта как явления обратного магнитострикции, заключающееся в изменении намагниченности магнетика под действием механических деформаций. Использование данного эффекта для измерения силы, крутящего момента и давления.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 13.12.2010Экспериментальные методы измерения подвижности носителей зарядов в диэлектриках. Эффект переключения диэлектрических пленок в высокопроводящее состояние. Исследование подвижностей носителей заряда времяпролетным методом. Изготовление пленочных образцов.
дипломная работа [484,3 K], добавлен 13.10.2015Определение частоты и сложение колебаний одного направления. Пропорциональные отклонения квазиупругих сил и раскрытие физической природы волны. Поляризация и длина продольных и поперечных волн. Общие параметры вектора направления и расчет скорости волны.
презентация [157,4 K], добавлен 29.09.2013Использование прямоугольных кантилеверов с зондом для исследования собственных колебаний микрообъектов. Сущность фоторефрактивного эффекта. Экспериментальное исследование колебаний микрообъектов с помощью адаптивного голографического интерферометра.
дипломная работа [6,0 M], добавлен 11.06.2011
