Книга: Электричество и магнетизм

Для определения коэффициента диффузии, подвижности и скорости ионов используется  плоская камера (рис. 2) , которая заполняется водным раствором нитрата калия (KNO3) малой концентрации. Вместо камеры можно использовать смоченную в этом растворе фильтровальную бумагу или ткань, аккуратно разложенную на плоском изоляторе.  При подаче  напряжения  между плоскими металлическими электродами, положенными в камеру или на бумагу (ткань)  возникает электрический ток. 

Проведение эксперимента

1.  Определить массу m1 одного из угольных электродов на технических весах.

2.  Собрать цепь по рис. 1, подключив взвешенный электрод к минусу источника питания.

3.  Включить источник питания, установив с помощью реостата ток в цепи 1,5 А. Засечь время.

4.  Пропустить ток в течение 30-40 минут, поддерживая его постоянным при помощи реостата.

5.  Выключить источник тока. Вынуть катод, просушить, определить его массу  m2.

6.  Определить массу выделившегося вещества m = m2 – m1  .

7.  Используя формулу (1) вычислить величину электрохимического эквивалента k.

8.  По формуле (4) найти число Фарадея, подставляя значение k в г/Кл, Z=2,     A = 63,54 г.

9.  По формуле (5) вычислить заряд электрона в СИ.

10.  Предварительно подготовленную ткань по размерам установки опустить в слабый раствор электролита KNO3. Разложить ткань на установке так, чтобы не было пузырьков воздуха. Закрепить металло-графитовые электроды.

11.  Собрать цепь по рис. 2. 

12.  Нанести на ткань одну каплю перманганата калия пипеткой между электро­дами Одновременно включить секундомер.

13.  Через 1-2 минуты выключить секундомер. Измерить смешение пятна ∆x

14.  Используя   (8) рассчитать коэффициент диффузии D1.

15.  Включить источник питания. Установить ток в цепи 120-150 mA.

16.  Нанести на ткань две капли перманганата калия пипеткой между электродами отдельно от первой и друг от друга, одновременно включить секундомер.

17.  Через 30-40 минут, выключить одновременно секундомер  и источник питания.

18.  Измерить смешение пятна, ∆x2 за время t2,

19.  Используя  формулу (8) рассчитать коэф­фициент диффузии D2.

20.  Определить D по формуле : D=D2-D1

21.  Подставляя D в формулу (9) рассчитайте подвижность ионов MnO4

22.  Найденное значение подвижности иона b подставить в формулу (6), рассчи­тать скорость движения ионов.

Контрольные вопросы

1.  Проводники первого и второго рода. Механизм их электропроводности.

2.  Что такое электрохимический эквивалент?  Физический смысл электрохимического эквивалента.

3.  В чем заключается физический смысл числа Фарадея?

4.  Закон Ома для электролитов.

5.  Сопротивление электролитов и его физический смысл.

6.  Диссоциация. Рекомбинация. Закон Оствальда.

7.  Электролиз. Законы Фарадея для электролиза.

8.  Методика определения заряда электрона и числа Фарадея.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1.  Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

2.  Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

3.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

4.  Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

5.  Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

6.  Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

7.  Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

8.  Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

9.  Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ

Цель работы

Исследование зависимости поляризованности сегнетоэлектриков от напряженности электрического поля при различных температурах

Идея эксперимента

В эксперименте производятся  исследования диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика,  подтверждающие соответствие температурной зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика закону Кюри-Вейсса.

Теоретическая часть

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, он поляризуется, т.е. приобретает отличный  от нуля дипольный момент

Pv=∑pi ,

где pi  - дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания  поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной –поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:

P=pv/V.

Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность P линейно зависит от напряженности поля E. Если диэлектрик изотропный и E не слишком велик, то

P=ǽε0Е,

где ǽ - диэлектрическая восприимчивость вещества,  характеризующая свойства диэлектрика,  ǽ - величина безразмерная, притом всегда больше нуля и для большинства диэлектриков составляет несколько единиц. Например, для спирта ǽ=25, для воды – 80.

ǽ= ε-1,

где ε – диэлектрическая проницаемость среды.

Сегнетоэлектриками  называются полярные диэлектрики, которые в определенном интервале температур спонтанно поляризованы, т.е. обладают поляризованностью при отсутствии электрического поля. На границах интервала температур сегнетоэлектрик в результате фазового перехода превращается в полярный диэлектрик.

Сегнетоэлектрики характеризуются чрезвычайно большим значением диэлектрической проницаемости, порядка 104 (в то время как диэлектрическая проницаемость, например, дистиллированной воды равна 81). Величина поляризованности Р нелинейно и неоднозначно зависит от напряженности электрического поля Е.  Сегнетоэлектрики способны проявлять свойство диэлектрического гистерезиса, то есть их поляризованность Р определяется не только величиной напряженности Е поля в данный момент времени, но и зависит от предыстории образца. Это явление полностью аналогично явлению ферромагнитного гистерезиса. Свое название сегнетоэлектрики получили от  сегнетовой соли (NaKC4H4O6´4H2O), на которой  впервые были обнаружены описанные выше свойства. В настоящее время известно более ста  чистых сегнетоэлектриков. Среди них наиболее известным является титанат бария (BaTiO3).    Если изначально сегнетоэлектрик не был поляризован, то по мере роста напряженности внешнего поля, в которое он помещается,  вектор поляризации Р увеличивается, что описывается основной кривой поляризации (участок ОА, рис.1). В достаточно сильных полях процесс поляризации достигает насыщения (Р= const). Если теперь начинать уменьшать напряженность поля, то поляризация начнет убывать, но зависимость P=f(E) теперь

 будет описываться участком кривой АВ. В результате при Е=0 сегнетоэлектрик будет обладать некоторой остаточной поляризацией Рост ¹ 0. Чтобы полностью деполяризовать сегнетоэлектрик, необходимо, изменив направление внешнего поля, увеличивать его напряженность до некоторой величины  Ес  (участок ВС кривой поляризации). Величина Ес называется коэрцитивной силой. Если продолжать увеличивать напряженность поля в направлении обратном к первоначальному, то сегнетоэлектрик вновь начнет поляризоваться до насыщения, но уже в обратном направлении (участок СD). Дальнейший ход кривой симметричен первоначальному участку АСD. Таким образом, график зависимости поляризованности от напряженности внешнего поля имеет вид петли, которую называют петлей гистерезиса.

Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры характеризуется наличием максимума при достижении температуры Тк, называемой температурой Кюри (рис.2). Выше температуры Тк , характерной для каждого сегнетоэлектрика, его сегнетоэлектрические свойства исчезают и он превращается в обычный полярный диэлектрик

В некоторых случаях имеются две точки Кюри – сегнетоэлектрические свойства исчезают и при понижении температуры. Например, у сегнетовой соли имеются две точки Кюри, характеризуемые температурами 24ºС и -18ºС. Таких сегнетоэлектриков сравнительно немного. В  области (Т>Тк) зависимость ǽ от температуры описывается формулой

         ǽ=А/(Т-Т0)    ,                                            (1)

где А – константа, Т0   -  температура Кюри-Вейсса, близкая к температуре Кюри. Закон, выражаемый формулой 1,  называется законом  Кюри-Вейсса.

     Среди сегнетоэлектрических кристаллов различают две группы: сегнетоэлектрики с водородными связями (сегнетова соль, NaNO3 и др.), ориентация дипольных моментов в которых связана с поворотом молекул в пространстве; сегнетоэлектрики  кислородно-октаэдрического типа (BaTiO3 и др.), возникновение спонтанной поляризации которых сопровождается деформацией (растяжением) молекул.

Эти группы различаются значением константы А в законе Кюри-Вейсса и соотношением между Т0 и Тк. Для первой группы характерны значения константы А в диапазоне (1-5)×103 К и Т0=Тк. Для второй группы константа А лежит в диапазоне (1-3)×105 К, Т0 примерно на 10° ниже, чем Тк.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29