Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Metodyka wykonywania ćwiczenia

 

Uniwersytet Śląski 

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

KO
RK
MN

Sosnowiec, 04.01.2011

Plan prezentacji

1. Wstęp teoretyczny
2. Cel ćwiczenia
3. Stanowisko pomiarowe
4. Przebieg ćwiczenia
5. Rezultaty wykonanych pomiarów
6. Obliczenia
7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

1. Wstęp teoretyczny

Ferroelektryki to substancje o bardzo dużej wartości 
przenikalności elektrycznej spowodowanej   występowaniem 
spontanicznie  spolaryzowanych obszarów (domen).

Duża wartość przenikalności jest wynikiem uporządkowania 
domen w zewnętrznym polu. W ferroelektrykach zanik 
właściwości dielektrycznych w określonej temperaturze 
(zwanej podobnie jak w ferromagnetykach temperaturą 
Curie). Poniżej tej temperatury  obserwuje się zjawisko 
histerezy polegającej na tym, że ich polaryzacja zależy w 
charakterystyczny sposób nie tylko od natężenia pola ale i od 
historii próbki. 

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Rys. 1. Pętla histerezy

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

. 

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

 

Przy 

zmniejszaniu 

natężenia 

pola 

zewnętrznego  od  wartości  odpowiadającej 
nasyceniu  polaryzacja  maleje  wzdłuż  krzywej 
FH leżącej powyżej BO.
      W  polu  zerowym  próbka  ferroelektryka 
wykazuje  teraz  pozostałość  elektryczną 
(remanencję)  odpowiadającą  na  wykresie 
odcinkowi  OH.  Przy  wartości  OC  pola 
zorientowanego 

przeciwnie 

pozostałość 

elektryczna  staje  się  równa  zeru.  Pole  o  tej 
wartości nazywamy polem koercji. 

. 

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Dalsze  powiększanie  pola  o  tym 
nowym 

kierunku 

polaryzuje 

do 

nasycenia 

próbkę 

w 

kierunku 

zgodnym  z  polem  (punkt  G).  Powrót 
zamyka  pętlę  histerezy  krzywą  GDF 
symetryczną 

do 

FHCG. 

Wartość 

polaryzacji  odpowiadająca  rzędnej 
punktu  F  (albo  G  gdy  pętla  jest 
symetryczna) 

nazywana 

jest 

 

polaryzacją całkowitą.

. 

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

T=293K
T=303K
T=313K
T=333K
T=343K
T=353K
T=363K
T=373K
T=383K
T=393K
T=403K
T=413K

P

[C

/m

2

]

E[kV/cm]

Rys. 2. Pętle histerezy uzyskane wraz ze zmianą 

temperatury dla   ceramiki 8/65/35 PLZT

. 

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Na  rysunku  nr  2  można  zauważyć 
że pod wpływem temperatury pętla 
histerezy  ulega  zmianie.  Przy 
zwiększaniu 

temperatury 

polaryzacja  maleje  wzdłuż  krzywej 
FH.  Obserwujemy  jednocześnie 
zmniejszenie się pola koercji

2. Cel ćwiczenia

1. Zapoznanie się z właściwościami ferroelektrycznymi 
materiałów 

ceramicznych.

2. Odwzorowanie pętli histerezy dla różnych temperatur 
grzania  próbki.

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

3. Stanowisko pomiarowe

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Rys. 3.  1 - woltomierz 2 – zasilacz z amperomierzem 3 – 

piecyk

4 -  układ Sawyera – Towera 5 - oscyloskop

Rys. 4. Oscyloskop

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Rys. 5. Schemat układu Sawyera-Towera

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

      Układ  pomiarowy  do  pomiaru  parametrów 

pętli  histerezy  nazywany  jest  mostkiem 
Sawyera-Towera.  Zbudowany  jest  z  dwóch 
dzielników 

napięcia 

oporowego 

R

1

 i 

R

2

 (rys.6)  i  pojemnościowego  złożonego  z 

kondensatora  C

1

 i  badanej  próbki  C

x

.  Oba 

dzielniki  połączone  równolegle  zasilane  są 
tym samym napięciem zmiennym.

      Spadek  napięcia  z  opornika  R

1

 przyłożony 

jest  do  płytek  odchylania  poziomego  lampy 
oscylograficznej.

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Dokonać pomiaru badanej próbki za pomocą mikrometru 

oraz suwmiarki.

Następnie próbkę umieścić w piecyku (czynność tę 

wykonuje prowadzący zajęcia).

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

W pierwszej fazie ćwiczenia trzeba otrzymać 

skompensowaną pętlę histerezy w temperaturze pokojowej 
(zanotować jej wartość). W tym celu należy:

- włączyć do sieci wtyczki sieciowe oscyloskopu, układu 
Sawyera – 

Towera i multimetru Metex;

- włączyć oscyloskop przyciskiem Power 1 (patrz rys. 1), 
wyregulować 

plamkę potencjometrami 2 i sprawdzić 

położenie przełączników 

sygnału 3 (pozycja V DC);

- włączyć układ Sawyera – Towera i multimetr Metex, 
przełączyć na 

zakres 200mV DC;

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

- wolno podwyższając napięcie autotransformatora otrzymać 
na 

ekranie obraz pętli histerezy (nie przekraczać 

napięcia skutecznego  podanego przez prowadzącego 
ćwiczenia, dopuszczalne napięcie 

zależy od rodzaju 

próbki);

- dobrać pojemność C

0

 i zanotować ją;

- skompensować pętlę potencjometrami X.

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Zanotować dane potrzebne do obliczeń pola koercji E

c

 oraz 

polaryzacji szczątkowej P

r

:

- napięcie skuteczne U

Sk

, pojemność C

0

, nastawę dzielnika Y 

oscyloskopu 4 , 

- dla monokryształu odcinki: AB i CD oraz OK (rys. 2),

- dla ceramiki odcinki: AB i CD oraz OH (rys. 2).

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Kolejna faza ćwiczenia polega na uzyskaniu pętli histerezy 

dla różnych temperatur grzania próbki. W tym celu należy:
- włączyć do sieci piecyk - rozpocząć grzanie. Ustabilizować 

temperatury zadane przez prowadzącego - dla ceramiki: 40, 

60, 80,  100, 120 

0

C;

- dla każdej z zadanych temperatur należy odrysować 
obserwowany 

obraz pętli histerezy oraz zanotować dane 

potrzebne do 

późniejszych obliczeń pola koercji i polaryzacji 

dla podanych 

temperatur.

- zanotować dokładną temperaturę zaniku pętli.
- narysować wykresy E

C

(T) i P(T) dla wszystkich punktów 

pomiarowych.

4. Przebieg ćwiczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Po zakończeniu ćwiczenia należy:

- wyłączyć grzanie piecyka z próbką;
- multimetr METEX M-4650 przełączyć na zakres DCV 1000 V  
i  wyłączyć go;
- obniżyć napięcie autotransformatora w układzie Sawyera – 
Towera  do zera;
- wyłączyć układ Sawyera – Towera;
- wyłączyć oscyloskop;
- wyjąć wtyczki wszystkich urządzeń z sieci.

Rys. 6. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze pokojowej

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 7. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 40°C

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 5. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 60°C

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 6. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 80°C

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 8. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 100°C

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

Rys. 9. Pętla histerezy dla badanej próbki w temperaturze 120°C

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

5. Rezultaty wykonanych pomiarów

6. Obliczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

1. Pole koercji

          gdzie:

d - grubość próbki,
U

c

 - napięcie koercji

          gdzie:

           

CD i AB - odcinki odczytane z 

pętli,

           

U

pp

 - napięcie 

międzyszczytowe

d

U

E

c

c



AB

CD

U

U

pp

c







2

sk

pp

U

U

2

2



6. Obliczenia

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

2. Polaryzacja spontaniczna

         
          

gdzie:
   C0 - pojemność kondensatora 
      wzorcowego,
   U

Y

 - określamy mierząc odcinek OK. na pętli (wzmacniacz 

osi Y 

      oscyloskopu musi być wykalibrowany),

   S - powierzchnia elektrody

S

U

C

P

Y

s





0

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Wymiary próbki:

d=0,23cm
S=0,71cm²

Parametry układu pomiarowego: 

C

o

 = 542nF

U

sk

 = 500V

U

pp

 = 1,41 kV

odchylenie osi x = 1,5
odchylenie osi y = 0,5

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Karta pomiarowa

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

7. Wyniki pomiarów

Uniwersytet 

Śląski

Wydział Informatyki i Nauki o 

Materiałach

Badanie właściwości 

ferroelektrycznych

Dziękujemy za uwagę !