Сегнетоэлектрики и их свойства. Диэлектрический гистерезис. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых твёрдых веществах, имеющих кристаллическую структуру, электрические моменты молекул коллективизируются таким образом, что создают самостоятельные поляризованные до насыщения области- домены, линейные размеры которых не превышают10-5 м. Направления электрических моментов определённых доменов определяются симметрией кристаллов, поэтому результирующая поляризация всего кристалла обычно равна нулю. Поляризация такого образца во внешнем поле происходит,во-первых,за счёт смещения границ доменов и роста размеров тех из них, из которых векторы электрических моментов близки по направлению к направлению напряжённости поля, и,во-вторых,за счёт ориентации моментов доменов по полю. Это приводит к огромному эффекту усиления поляризации, а диэлектрическая проницаемость таких кристаллов достигает значений(5-10)*104.Типичным представителем таких веществ является сегнетова соль (NaKC4 H4O6 4H2O), поэтому все вещества, обладающие

подобными свойствами, стали называть сегнетоэлектриками. К ним относится титанат бария (BaTiO2) и дигидрофосфат калия(KH2 PO4). Сегнетоэлектрики являются

электрическими аналогами ферромагнитных материалов, поэтому нередко их называют

ферроэлектриками. Наиболее интересны следующие свойства сегнетоэлектриков:

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры.

1. Для них характерно резкое возрастание относительной диэлектрической проницаемости в определённом интервале температур (рис. 3). В отличие от других полярных диэлектриков, у которых диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна абсолютной температуре, у сегнетоэлектриков она меняется обратно пропорционально разности между абсолютной и критической температурами (закон Кюри-Вейсса):

где β – константа, величина коэффициента теплового расширения, приблизительно равная 10−5 ÷10−6 град−1;TK – температура Кюри.

Если увеличить температуру вышеTK, то сегнетоэлектрик теряет свои свойства.

2. У сегнетоэлектрика наблюдается нелинейная зависимость поляризованности P образца от напряженности внешнего электрического поляE (рис. 4). В достаточно сильных полях достигаетсясостояние насыщения, когда поляризованностьP образца не меняется при дальнейшем увеличенииE.

Рис. 4. Зависимость поляризованности сегнетоэлектрика от напряженности внешнего электрического поля. PS - поляризованность при насыщении.

3. Зависимость электрического смещения D от напряженностиE (рис. 5) носит сложный характер, и линейная связь междуD иE существует лишь при больших значенияхE, когда сегнетоэлектрик достигает состояния насыщения, т.е. приP =PS.

Рис.5. Зависимость электрической индукции в сегнетоэлектрике от напряженности поля.

4. Относительная диэлектрическая проницаемость ε и диэлектрическая восприимчивостьχ сегнетоэлектриков являются функциями напряженностиE в веществе (рис. 6), достигая значений порядка 104 ÷105 в области несильных полей.

Рис.6. Типичная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности поля.

5. Для сегнетоэлектриков характерно явление гистерезиса (запаздывания), состоящее в

Поляризация полностью исчезает лишь под действием электрического поля противоположного направления, величина которого− EC. ВеличинуEC называют

коэрцитивной силой, а наблюдаемую кривую при циклическом изменении напряженностиE

– петлей гистерезиса.

Рис. 7. Петля гистерезиса.

Периодическое изменение поляризации сегнетоэлектрика при изменении поля связано с затратой энергии, которая в конечном счете идет на нагревание вещества. Площадь петли гистерезиса пропорциональна теплоте, выделяющейся в единице объема сегнетоэлектрика за

один цикл изменения его поляризации. По ширине петли судят о свойстве сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрики с широкой петлей называют жесткими (из них делают электреты), а с узкой –мягкими (применяют для изготовления конденсаторов).

6. Существует предельная температура, выше которой свойства сегнетоэлектриков исчезают. Эту температуру называют точкой Кюри. Существуют сегнетоэлектрики с несколькими точками Кюри. В точке Кюри происходит фазовое превращение вещества. Оно переходит из спонтанно поляризованной фазы в неполяризованную (разрушение доменов) или наоборот.

Сегнетоэлектрики находят широкое применение в современной электро- и радиотехнике. Их используют для изготовления конденсаторов, емкость которых очень велика (из-заогромных значений диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика) и зависит от приложенного напряжения. Такие конденсаторы называютварикондами. Их используют при устройстве стабилизаторов напряжения, вэлектронно-вычислительныхмашинах как “ячейки памяти”. Титанат барияиз-заего химической устойчивости и механической прочности, а такжеиз-засохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое техническое применение (например, в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн).

Для сегнетоэлектриков характерно явление диэлектрического гистерезиса («гистерезис» означает «запаздывание»). С увеличением напряженности результирующего поля всегнетоэлектрике E, численное значение вектора поляризации сегнетоэлектрика P растет не по линейному закону и достигает насыщения в точке A

Если, затем, напряженность поля постепенно довести до нуля, то вектор поляризации будет изменяться по кривой AB. Отрезок OB = P_ост, характеризует остаточную поляризацию в сегнетоэлектрике. Лишь при наложении некоторого поля обратного направления (отрезок OC= E_к) поля­ризация исчезает полностью. Величина напряженности электрического поля E_к, при которой поляризация P становится равной нулю, называется коэрцитивной силой.