Электростатические явления в веществе. Поляризация вещества. Свободные и связанные заряды. Сегнетоэлектрики

Если поместить диэлектрик во внешнее электрическое поле, то он поляризуется, т. е. получит неравный нулю дипольный момент p _V=∑ p _iгде p _i — дипольный момент одной молекулы. Чтобы произвести количественное описание поляризации диэлектрика вводят векторную величину — поляризованность, которая определяется как дипольный момент единицы объема диэлектрика:

(1)

Из опыта известно, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, см. далее) поляризованность Р зависит от напряженности поля Е линейно. Если диэлектрик изотропный и Е численно не слишком велико, то

(2)

где θ — диэлектрическая восприимчивость вещества, она характеризует свойства диэлектрика; θ – безразмерная величина; притом всегда θ>0 и для большинства диэлектриков (жидких и твердых) составляет несколько единиц (но, например, для спирта θ≈25, для воды θ≈80).

Для определения количественных закономерностей электрического поля в диэлектрике поместим в однородное внешнее электрическое поле Е₀ (к примеру, между двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлектрика, расположив ее, согласно рис. 1. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т. е. осуществляется смещение зарядов: положительные смещаются по направлению поля, отрицательные — против направления поля. В результате, на правой грани диэлектрика, который обращен к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью +σ', на левой грани — отрицательного заряда с поверхностной плотностью –σ'. Эти нескомпенсированные заряды, которые появляются в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Поскольку их поверхностная плотность σ' меньше плотности σ свободных зарядов плоскостей, то не все поле Е компенсируется полем зарядов диэлектрика: часть линий напряженности проходит сквозь диэлектрик, другая же часть — останавливается на связанных зарядах. Значит, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика Е = Е₀.

Рис.1

Значит, возникновение связанных зарядов приводит к появлению дополнительного электрического поля Е' (поля, которое создается связанными зарядами), направленого против внешнего поля Е₀ (поля, которое создается свободными зарядами) и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика

Поле Е'=σ'/ε₀ (поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями), значит

(3)

Найдем поверхностную плотность связанных зарядов σ'. Согласно (1), полный дипольный момент пластинки диэлектрика p_V=PV=PSd, где d — толщина пластинки, S — площадь ее грани. С другой стороны, полный дипольный момент, равен произведению связанного заряда каждой грани Q' =σ'S на расстояние d между ними, т. е. р_V = σ'Sd. Значит, PSd=σ'Sd, или

(4)

т. е. поверхностная плотность связанных зарядов σ' равна поляризованности Р. Подставив в формулу (3) выражения (4) и (2), получим

откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна

(5)

Безразмерная величина

(6)

называется диэлектрической проницаемостью среды. Сравнивая (5) и (6), можем сделать вывод, что ε показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Сегнетоэлектрики — диэлектрики, которые обладают в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т. е. поляризованностью в условиях отсутствия внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся, например, подробно изученные И. В. Курчатовым (1903—1960) и П. П. Кобеко (1897—1954) сегнетова соль NaKC₄H₄O₆•4Н₂O (от нее и было получено данное название) и титанат бария ВаТiO₃.

При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик есть как бы мозаика из доменов — областей с различными направлениями поляризованности. Это показано на примере титаната бария (рис. 1), где стрелки и знаки точек и плюсов в кружках указывают направление вектора Р. Так как в смежных доменах эти направления отличаются, то в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. При внесении во внешнее поле сегнетоэлектрика осуществляется переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют очень большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли, например, ε_max≈10⁴).

Сегнетоэлектрические свойства вществ сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика есть определенная температура, выше которой его данные необычные свойства исчезают и он превращается в обычный диэлектрик. Эта температура называется точкой Кюри (в честь французского физика Пьера Кюри (1859—1906)). Обычно, сегнетоэлектрики обладают только одной точкой Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль (—18 и +24°С) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектриков в обычный диэлектрик, которое происходит в точке Кюри, сопровождается фазовым переходом II рода.

Диэлектрическая проницаемость ε (а значит, и диэлектрическая восприимчивость θ) сегнетоэлектриков зависит от напряженности Е поля в веществе, при этом эти величины являются характеристиками вещества для других диэлектриков.

Для сегнетоэлектриков не соблюдается формула связи поляризованности и напряженности поля P =θε₀ E; для них зависимость между векторами поляризованности (Р) и напряженности (Е) нелинейная и зависит от значений Е в предыдущие моменты времени. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания). Как видно из рис. 2, с ростом напряженности Е внешнего электрического поля поляризованность Р растет, достигая при этом насыщения (кривая 1). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и при Е=0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Р₀, т.е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить внешнее электрическое поле обратного направления (—E_с). Величина Е_c называется коэрцитивной силой (от лат. coercitio — удерживание). Если далее Е изменять, то Р изменяется по кривой 3 петли гистерезиса.

Росту изучения сегнетоэлектриков послужило открытие аномальных диэлектрических свойств титаната бария академиком Б. М. Вулом (1903—1985). Титанат бария из-за его высокой механической прочности и химической устойчивости, а также по причине сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел широкое научно-техническое применение (например, в качестве приемника и генератора ультразвуковых волн). В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко используются также в качестве материалов, которые обладают большими значениями ε (например, в конденсаторах).

Следует кратко рассказать еще о пьезоэлектриках — кристаллических веществах, в которых при растяжении или сжатии в некоторых направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствие внешнего электрического поля (прямой пьезоэффект). Можно наблюдать и обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. У некоторых пьезоэлектриков в состоянии термодинамического равновесия решетка положительных ионов смещена относительно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются поляризованными даже в отсутствии внешнего электрического поля. Такие кристаллы называются пироэлектриками. Еще существуют электреты — диэлектрики, которые длительно сохраняют поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля (электрические аналоги постоянных магнитов). Эти вещества находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.

Поиск по сайту: