5-铁电体电滞回线的测定 - 副本(2)

是一个比较庞大的家族，目前应用得最好的是系列。但是由于铅的有毒性及此类铁电材料居里温度低、耐疲劳性能差等原因，应用范围受到了限制。开发新一代铁电陶瓷材料己成为当今的热门问题。

一、实验目的

（1）掌握铁电性质的基本知识，了解铁电体电滞回线测量的基本原理。

（2）学会测量铁电体电滞回线的方法。

二、实验原理

1．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3.1），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，成为矫顽场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CBDFGHC所示，此曲线称为电滞回线。

图3.1 铁电体的电滞回线 图3.2 电滞回线的显示

V 电滞回线可以用图3.2的装置显示出来（这是著名的Sawyer-Tower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象，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

1

Vy CyCx （3-1） 1VxCy

Cx

式中 为图中电源V的角频率

Cx r 0Sd （3-2） 上式中 r为铁电体的介电常数， 0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，将（3-2）式代入（3-1）式得：

Vy

根据电磁学

P 0 r 1 E 0 rE 0 E （3-4） 对于铁电体 r 1，故（3-4）式有后一近似等式，将（3-4）式代入（3-3）式，有 Vy Cx SVx r 0SVx r0 E （3-3） CyCydCySP （3-5） Cy

因S与Cy都是常数，故Vy与P成正比。

（2）居里点Tc

当温度高于某一临界温度Tc时，晶体的铁电性消失。这一温度称为铁电体的居里点。由于铁电体的消失或出现总是伴随着晶格结构的转变，所以是个相变过程，已发现铁电体存在二种相变：一级相变伴随着潜热的产生，二级相变呈现比热的突变，而无潜热发生。铁电相中自发极化总是和电致形变联系在一起，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相为低。如果晶体具有两个或多个铁电相时，最高的一个相变温度称为居里点（由Tc表示），其他则称为转变温度。