高压铁电体电滞回线测量实验报告

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1、.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

2、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

3、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

4、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ε为铁电体的介电常数，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

5、）式得：（12.2-2）根据电磁学（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Pr、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

6、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=-448.242VPr=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

7、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

8、,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