Сегнето- и пьезоэлектрики. Электреты

Во внешнем электрическом поле поляризационные свойства диэлектриков определяются в конечном итоге электрическими свойствами отдельных атомов или молекул, из которых состоит диэлектрик. Однако диэлектрические свойства некоторых кристаллических диэлектриков обусловлены не только поляризуемостью отдельных атомов или молекул, но и электрическими моментами, возникающими в кристалле вследствие его определенного строения. Этот встроенный электрический момент в ряде случаев может определять диэлектрические свойства кристалла. Возможны как естественно встроенные электрические моменты, так и искусственно наведенные вследствие внешнего воздействия путем повышения давления или наложения внешних полей. Первый тип кристаллов назван сегнетоэлектриками, так как наиболее четко эти свойства проявляются на сегнетовой соли, а второй — пьезоэлектриками и пироэлектриками.

Сегнетоэлектрики — кристаллы, которые обладают встроенным электрическим моментом. Этот постоянный электрический момент нелинейно зависит от температуры. При повышении температуры электрический момент исчезает. Электрические свойства сегнетовой соли NaKCuH₄O₆∙4H₂O были впервые изучены в 1930—1934 гг. академиком И. В. Курчатовым и П. П. Кобеко. Другим важным сегнетоэлектриком является титанат бария ВаТiO₃.

Рассмотрим свойства сегнетоэлектриков на примере титаната бария, кристаллическая структура которого изображена на рис. 34. Под воздействием внешнего поля имеет место электронная поляризация атома и поляризуемость α возрастает. По мере роста α увеличивается и поляризация кристалла в целом, создавая большое внутреннее поле, которое в свою очередь действует на атом и приводит к еще большему возрастанию α. При этом как бы включается положительная обратная связь, приводящая к безудержному росту поляризации. В титанате бария кроме электрической поляризации имеет место ионная поляризация, связанная с заметным смещением иона титана. Диэлектрическая проницаемость в этих условиях зависит от величины напряженности внешнего электрического поля, т. е. ε_r = f(Е_э).

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков может достигать огромных величин ( ~ 5∙10⁴÷10⁵). Диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры Т обратно пропорционально разности Т - Т_с, где Т_с - некая критическая температура, при которой встроенный электрический момент исчезает.

Для некоторых кристаллов наблюдается обратная картина, когда поляризация одних атомов своим полем уменьшает поляризацию других атомов. Такие вещества называются антисегнетоэлектриками.

На основе сегнетоэлектриков, добавляя к ним разные примеси, можно получить конденсаторы большой емкости при малых размерах и придать им хорошие качества.

Пьезоэлектрики — это кристаллы кварца, турмалина, сегнетовой соли и других веществ, у которых под влиянием внешнего давления возрастает состояние электрической поляризации и возникает встроенный электрический момент. При этом на взаимно противоположных поверхностях возникают электрические заряды, пропорциональные давлению Р:

, (3.27)

где коэффициент пропорциональности ξ есть функция температуры.

Равенство (3.27) характеризует прямой пьезоэффект. При обратном пьезоэффекте внешнее электрическое поле вызывает растяжение или сжатие образца.

Прямой и обратный пьезоэффект находят самое широкое применение в радио-, электроакустической и измерительной аппаратуре. На основе пьезоэлектриков созданы добротные резонаторы, малогабаритные микрофоны и телефоны, ультразвуковые генераторы, пьезоэлектрический адаптер, тензометры, приборы для измерения вибрации и др.

Следует отличать явление электрострикции (деформация диэлектрика, зависящая от Е_э²) от обратного пьезоэффекта, который зависит линейно от приложенного внешнего электрического поля. Электрострикция связана с удлинением диэлектрика за счет поляризации. Этот эффект незначителен и в технике практически не используется.

Возникновение электрических зарядов на поверхности кристаллических диэлектриков при их нагревании свойственно широкому классу веществ - пироэлектрикам. Расширение кристалла вследствие нагревания в различных кристаллографических направлениях разное, что обусловливает возникновение внутри кристалла встроенного электрического момента. На пироэлектрическом эффекте основана работа миниатюрных датчиков температуры.

Широкое практическое применение в качестве постоянных источников электрического поля нашли электреты. Электреты — это такие диэлектрики, которые способны многими сутками сохранять наэлектризованное состояние. Электреты получают путем нагревания диэлектрика до температуры, близкой к температуре плавления, и охлаждения в сильном электрическом поле (термоэлектреты). Можно получить электретное состояние диэлектрика, облучая его светом или радиоактивным излучением в сильном электрическом поле (фотоэлектреты). Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд не более 10^-8 Кл/см². Время сохранения заряда колеблется от нескольких дней до года и более.

Поверхностный заряд электрета состоит из связанного заряда, обусловленного остаточной поляризацией, и заряда, абсорбированного извне на поверхности диэлектрика противоположного знака, - гомозаряда.

Электрическое поле электретов используется в электрометрах, электростатических вольтметрах, в качестве ячеек электрической памяти, электретных барометрах, газовых фильтрах и др.

Вопросы для повторения

1. Почему атмосфера Земли на низких высотах обладает хорошими диэлектрическими свойствами?

2. Чем отличаются полярные и неполярные молекулы?

3. Какова физическая природа поляризации полярных и неполярных молекул?

4. Дайте определение поляризуемости отдельной молекулы и вектора электрической поляризации диэлектрика.

5. Как зависит диэлектрическая восприимчивость от температуры и от направления в изотропных средах?

6. Какая связь существует между диэлектрической восприимчивостью и поляризуемостью отдельной молекулы?

7. Как связаны между собой вектор поляризации с наведенной плотностью электрических зарядов?

8. Какая зависимость имеет место между векторами электрического смешения, напряженностью электрического поля и поляризацией?

9. Какова связь электрической восприимчивости с диэлектрической проницаемостью?

10. Как изменяются нормальная и тангенциальная составляющие векторов электрического смещения и напряженности поля при переходе из одной среды в другую?

11. Чем обусловлено возникновение сегнето-, пьезо- и пироэлектричества?

12. Где находит применение сегнето-, пьезо- и пироэлектричество?

Поиск по сайту: