高压铁电体电滞回线测量实验报告

高压铁电体电滞回线测量实验报告

引言:

铁电体是这样一类晶体：在一定温度范围内存在自发极化，自发极化具有两个或多个可能的取向，其取向可随电场而转向。铁电体并不含“铁”，只是它与铁磁体具有磁滞回线相类似，具有电滞回线，因而称为铁电体。在某一温度以上，它为顺电相，无铁电性，其介电常数服从居里外斯（Curie-Weiss）定律。铁电相与顺电相之间的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度或居里点Ｔｃ。铁电体即使在没有外界电场的作用下，内部也会出现极化，这种极化称为自发极化。自发极化的出现是与这一类材料的晶体结构有关的。

铁电体最显著的特点就是自发极化强度可因电场作用而反向，因而极化强度P和电场Ｅ之间形成电滞回线是铁电体的一个主要特性。

(一)实验目的

通过实验了解什么是铁电体，什么是电滞回线如何通过电滞回线的测量来表片铁电体的铁电性能，以及其测量原理和方法。

(二)实验原理

一、铁电体的特点

1.电滞回线

铁电体的极化随外电场的变化而变化，但电场较强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下新畴成核长大，畴壁移动，导致极化转向，在电场很弱时，极化线性地依赖于电场（见图12.2-1），此时可逆的畴壁移动成为不可逆的，极化随电场的增加比线性段快。当电场达到相应于Ｂ点值时，晶体成为单畴，极化趋于饱和。电场进一步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大（ＢＣ段）。如果趋于饱和后电场减小，极化将循ＣＢＤ段曲线减小，以致当电场达到零时，晶体仍保留在宏观极化状态，线段OD表示的极化称为剩余极化Ｐr。将线段ＣＢ外推到与极化轴相交于Ｅ，则线段OE为饱和自发极化Ｐs。如果电场反向，极化将随之降低并改变方向，直到电场等于某一值时，极化又将趋于饱和。这一过程如曲线ＤＦＧ所示，OF所代表的电场是使极化等于零的电场，称为矫顽场Ec。电场在正负饱和值之间循环一周时，极化与电场的关系如曲线CBDFGHB所示，此曲线称为电滞回线。

电滞回线可以用图12.2-2的装置显示出来（这是著名的Ｓａｙｅｒ-Ｔｏｙｅｒ电路），

以铁电晶体作介质的电容Ｃx 上的电压Ｖ是加在示波器的水平电极板上，与Ｃx 串联一个恒定电容Ｃy （即普通电容），Ｃy 上的电压Ｖy 加在示波器的垂直电极板上，很容易证明Ｖy 与铁电体的极化强度Ｐ成正比，因而示波器显示的图像，纵坐标反映Ｐ的变化，而横坐标Ｖx 与加在铁电体上外电场强成正比，因而就可直接观测到Ｐ Ｅ的电滞回线。

下面证明Ｖｙ和Ｐ的正比关系，因

（12.2-1）

式中ω为图12.2-2中电源Ｖ的角频率

ε0为真空的介电常数，Ｓ为平板电容Ｃx 的面积，ｄ为平行平板间距离，代入（12.2-1）式得：

（12.2-2）

根据电磁学

()E E E P χεεεεε0001=≈-= （12.2-3）

对于铁电体ε>>１，故有后一近似等式，代入（12.2-2）式，

（12.2-4）

因Ｓ与Ｃｙ都是常数，故Ｖｙ与Ｐ成正比。

(三)实验内容

本实验是通过高压铁电的电滞回线测量得到铁电体的剩余极化强度P r 、矫顽场Ec ，所用的仪器是南京大学应用物理中心生产的仪器，利用其预设的程序可很方便地测出铁电片的电滞回线，并得出其Pr 和 Ec 。

（四）实验过程

一，开启计算机，打开高压铁电测量系统。

二，将铁电样品去极化。设置电压为100V ，测量点数为1000，点击开始测量。观察电脑屏幕上的电滞回线图像。

此时屏幕上显示的图像为杂乱无章的图像，足见铁电内部是完全自发极化的。极化矢量没有固定的方向。

三，设置电压为700V ，重新测量，观察电脑屏幕上的电滞回线图像。此时开始出现电滞回线。

四，设置电压为750、800、850、900、950、1000V ，观察电滞回线。

五，从电滞回线图上读出剩余极化强度Pr ，矫顽场Ec 。并利用原始数据做拟合，得到比较准确的Pr 和Ec 的值。

（五）实验结果

（1）电压U=700V

电脑显示：Ec=476.257V

–Ec=-448.242V

Pr=52.992μc/cm2

–Pr=-54.421μc/cm2

从图一中可以看出，电滞回线的图像与我们预期的图像形状基本一致，由于测量过程的问题，在第三象限中缺失了部分点（在后面的图八中可以看到这部分对于每个电压值都是缺失的）。

图像呈中心对称，正向和负向的Pr和Ec值相差不多，总体来说正向略大一些。

显而易见，图像上的参数值与电脑显示的参数值是有很大差距的。Ec尤其明显。

从理论上来说,电滞回线的产生是由于畴壁在外场作用下翻转时存在极化弛豫，即滞后行为。对于顺电体而言，极化强度与电场呈线性关系，在电致应变曲线中表现为电致伸缩效应（线性）。因此都是没有极化损耗的，其表现就是P-E（或S-E）曲线面积为0，而铁电体由于畴壁的滞后会产生极化损耗，即该行为是不可逆的,会有能量损耗。就像是电工学中说的电压和电流存在相位角（滞后）时会产生无功功率一样。而能量损耗的量度由可由电滞回线包围的面积给出。

可以这样理解，对于P-E图，纵坐标单位是c/m2,横坐标单位是V/m,曲线包围的面积A=P*E，单位是J/m3,我们可以认为是单位体积内消耗的能量。

(2) 电压U=750V

电脑显示：Ec=480.469V –Ec=-480.469V Pr=53.771μc/cm2 –Pr=-55.135μc/cm2

（3）电压U=800V

电脑显示：Ec=479.736V –Ec=-447.754V Pr=54.875μc/cm2 –Pr=-55.460μc/cm2

（4）电压U=850V

c/cm2

电脑显示：Ec=441.956V –Ec=-441.956V Pr=57.473μc/cm2 –Pr=-54.226μ

（5）电压U=900V

电脑显示：Ec=468.140V –Ec=-468.140V Pr=57.863μc/cm2 –Pr=-54.811μc/cm2