2.3 Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрические явления. Электреты

Существует группа веществ, которые могут обладать спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью в отсутствие внешнего поля. Это явление было первоначально открыто для сегнетовой соли, в связи с чем все подобные вещества получили название сегнетоэлектриков. Первое детальное исследование электрических свойств сегнетовой соли было осуществлено советскими физиками И. B. Курчатовым и П.П. Кобеко.

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей:

1. B то время как y обычных диэлектриков составляет несколько единиц, достигая в виде исключения нескольких десятков (y воды, например, = 81), диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков бывает порядка нескольких тысяч.

2. Зависимость P от E не является линейной (см. ветвь 1 кривой, изображенной на рис. 11.1). Следовательно, диэлектрическая проницаемость оказывается зависящей от напряженности поля



рис 11.1

3. При изменениях поля значения поляризованности P (а следовательно, и смещения D) отстают от напряженности поля E, в результате чего P и D определяются не только величиной Е в данный момент, но и предшествующими значениями E, т. e. зависят от предыстории диэлектрика. Это явление называется гистерезисом (от греческого «гистерезис» – запаздывание). При циклических изменениях поля зависимость P от E следует изображенной на рис.11.1 кривой, называемой петлей гистерезиса. При первоначальном включении поля поляризованность растет с E в соответствии с ветвью 1 кривой. Уменьшение P происходит по ветви 2. при обращении Е в нуль вещество сохраняет значение поляризованности ,называемое остаточной поляризованностью. Только под действием противоположно направленного поля напряженности поляризованность становится равной нулю. Это значение напряженности называется коэрцитивной силой. При дальнейшем изменении E получается ветвь 3 петли гистерезиса, и т. д.

Поведение поляризованности сегнетоэлектриков аналогично поведению намагниченности ферромагнетиков. По этой причине сегнетоэлектрики называют иногда ферроэлектриками.

Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические вещества, причем такие, y которых отсутствует центр симметрии. Так, например, кристаллы сегнетовой соли принадлежат к ромбической системе. Bзaимoдeйcтвиe частиц в кристалле сегнетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг другу. B исключительных случаях одинаковая ориентация дипольных моментов распространяется на весь кристалл. Oбычнo же в кристалле возникают области, в пределах каждой из которых дипольные моменты параллельны друг другу, однако направления поляризации разных областей бывают различны, так что результирующий момент всего кристалла может быть равен нулю. Области спонтанной (самопроизвольной) поляризации называются также доменами. Под действием внешнего поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

Для каждого сегнетоэлектрика имеется температура, при которой вещество утрачивает необычные свойства и становится нормальным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри. Сегнетова соль имеет две точки Кюри: – 5°C и + 22,5°C, причем она ведет себя как сегнетоэлектрик лишь в температурном интервале, ограниченном указанными значениями. При температуре ниже –15°C и выше +22,5°С электрические свойства ceгнeтoвoй соли обычны.

Сегнетоэлектрики имеют большое практическое применение. В частности, сегнетоэлектрики применяются для изготовления конденсаторов большой емкости при малых размерах, что имеет существенное значение для уменьшения веса и габаритов радиотехнических устройств.

Пространственно правильным распределением частиц в кристаллической решетке веществ объясняется особое явление, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов возникают электрические заряды при их механических деформациях (например при сжатии и растяжении). Пьезоэлектрический эффект обнаруживается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария и ряде других кристаллов.

Если вырезать пластинку и подвергнуть действию силы ,то возникает заряд + q. Величина возникшего заряда не зависит от размеров пластинки и однозначно определяется растягивающей силой: , где – коэффициент, называемый пьезоэлектрическим модулем.

Если заменить растяжение сжатием, то знаки зарядов изменятся на обратные. На других гранях пластинки заряды при этом возникать не будут.

Кроме описанного прямого пьезоэлектрического эффекта, существует обратный пьезоэлектрический эффект, сводящийся к изменениям размеров кристалла под воздействием электрического поля, т.е. к его удлинению или укорочению при электризации.

Среди твердых диэлектриков выделяется группа, называемая электретами. Электреты длительно сохраняют наэлектризованное состояние и отсутствие внешнего поля, они по своим свойствам являются аналогами постоянных магнитов. Подобные свойства обнаруживаются у ряда органических веществ (пчелиный воск, парафин, нафталин, эбонит, нейлон и др.) и неорганических (серы, титанатов, борного стекла и др.).

Стабильный электрет можно получить, если нагреть диэлектрик до температуры, близкой или равной температуре плавления, если нагреть диэлектрик до температуры, близкой или равной температуре плавления, и наложить на него сильное электрическое поле. Под действием поля произойдет упорядочение молекулярных диполей, которое частично сохраняется после охлаждения и снятия внешнего электрического поля. Так формируются термоэлектреты. Фотоэлектреты получают при освещении светом некоторых диэлектриков в сильном электрическом поле (селен, окись цинка).

Электреты применяются как источники постоянного электрического поля. Действия электретных микрофонов, телефонов, вибродатчиков основано на индицировании переменного тока в электрическом поле электрета.

Фотоэлектреты применяются в электрофотографии, сущность которой заключается в следующем. При освещении фотоэлектретов происходит уменьшение их зарядов, пропорциональное освещенности. Оставшиеся после экспонирования электрические заряды образуют скрытое электрофотографическое изображение или потенциальный рельеф. Потенциальный рельеф визуализируется или с помощью электрически заряженных порошков, или методами непосредственного считывания потенциальных рельефов.,

Last modified: Monday, 2 June 2014, 11:37 AM