Регистрация петли гистерезиса
Исследуемый образец представляет собой плоскопараллельную пластинку сегнетоэлектрической конденсаторной керамики толщиной $d$ и площадью $S$ с посеребренными плоскостями, к которым припаяны электрические выводы. Данные для $d$ и $S$ приведены в спецификации к работе.
Классическая схема для записи петли гистерезиса (Сойер и Тауэр, 1930) показана на рисунке:
К выходу генератора синусоидальных колебаний присоединены последовательно два конденсатора, один из которых — это исследуемый образец сегнетоэлектрика ($C_{x}$), а второй — эталонный линейный конденсатор ($C_{0}$). В схеме выполняется условие $C_{0} \gg C_{x}$, благодаря которому можно считать, что практически все напряжение с генератора падает на конденсаторе $C_{x}$, и, следовательно, напряжение $U_{x}$, снимаемое с этого конденсатора, является синусоидальным. С делителя $1:100$ напряжение $U_{x}$ подаётся на вход канала 1 осциллографа. Это напряжение пропорционально напряженности электрического поля в сегнетоэлектрике
$$
E=\frac{U_{x} }{d} .
$$
Второй канал осциллографа (Y) подключен к линейному конденсатору $C_{0}$. Если измерительная цепь (пробники подсоединенные к осциллографу) не оказывает сильного влияния на тестируемую схему, то можно приближенно полагать равенство зарядов на двух последовательно соединенных конденсаторах: $Q=U_{x} C_{x} =U_{y} C_{0} $, где $U_{y}$ — напряжение на линейном конденсаторе. Кроме того, из граничных условий на поверхности раздела «металлическая обкладка — сегнетоэлектрик» следует, что в сегнетоэлектрике $D=4\pi \frac{Q}{S} $ ($D=\frac{Q}{S} $ в системе СИ). Комбинируя две последние формулы, получим
$$
D=4\pi \frac{U_{y} C_{0} }{S}, \ \ \ D=\frac{U_{y} C_{0} }{S} .
$$
Напряжение на линейном конденсаторе оказывается пропорциональным электрической индукции в сегнетоэлектрике. Если, кроме того, выполняется условие $4\pi P\gg E$ \ ($P\gg \varepsilon _{0} E$ в системе СИ), то можно записать для поляризации
$$
P=\frac{U_{y} C_{0} }{S} .
$$
Петля гистерезиса наблюдается в экранном режиме XY: напряжение канала 1 определяет координату точки на оси X (горизонтальная ось), а напряжение на канале 2 — координату Y (вертикальная ось). Таким образом, по известным параметрам $C_{0}, S$, и $d$ можно построить гистерезисную кривую в виде зависимости $P(E)$ или $D(E)$.
Любое измерение оказывает влияние на исследуемый процесс. Поэтому следует определить параметры измерительной схемы, при которых этим влиянием можно пренебречь. Емкость исследуемого сегнетоэлектрического конденсатора достаточно мала и составляет по порядку величины $C_{x} \approx 1$ нФ, что соответствует импедансу $$ \left|Z_{Cx} \right|=\frac{1}{2\pi fC_{x} } \cong 0,3 \mbox{ МОм} $$ при частоте $f=500$ Гц.
Для того чтобы обеспечить малость амплитудных и фазовых искажений вносимых измерительной цепью должно выполняться условие $\left|Z_{Cx} \right|\ll R_{вх} $, где $R_{вх}\approx 4 МОм$ — сопротивление делителя.
Измерение температуры
При исследовании зависимости свойств сегнетоэлектрика от температуры схема дополняется устройством для подогрева образца и измерения его температуры. Образец нагревается в печке, представляющей собой проволочное сопротивление, на которое подается регулируемое напряжение от источника. Температура контролируется термопарой либо полупроводниковым датчиком температуры. Датчик температуры находится в тепловом контакте с одной из пластин сегнетоэлектрического конденсатора.