ИИТиАС - II_1 / Вещество во внешних энергетических полях (Воронов, Дорошенко)

Наиболее изученными сегнетоэлектрическими материалами являются сегнетова соль и метатитанат бария. Очень значительную роль в изучении свойств сегнетовой соли сыграли исследования советских физиков И.В. Курчатова и П.П. Кобеко. Оказалось, что сегнетова соль имеет две точки Кюри: верхнюю +22,50С и нижнюю - 150С. Диэлектрическая проницаемость в указанном интервале температур достигает 104. Особые диэлектрические свойства метатитаната бария открыты и исследованы также советскими физиками Б.М. Вулом и И.М. Гольдманом. Проницаемость метатитаната бария порядка 103, температура Кюри 1250.

5. Объяснение сегнетоэлектричества.

В сегнетоэлектриках между молекулами существуют весьма сильное взаимодействие, благодаря которому наиболее устойчивым и энергетически выгодным оказывается состояние с параллельной ориентацией молярных диполей.

Области сегнетоэлектрика, в которых электрические моменты молекулярных диполей параллельны, называются доменами. В пределах каждого домена диэлектрик поляризован до насыщения. Области самопроизвольной (спонтанной) поляризации сравнительно невелики и составляют 0,1...10 мкм в поперечнике, это объясняется рядом причин, которые рассматриваются ниже.

а) Если бы сегнетоэлектрик состоял только из одного домена, то даже в отсутствие внешнего электрического поля он обладал бы огромным электрическим моментом и создавал бы в окружающем пространстве очень сильное собственное поле с соответственно большим запасом потенциальной энергии.. Эта энергия существенно уменьша-

31

ется, если конфигурация будет состоять из двух, четырех и т.д. доменов, поляризованных так, как это показано на рис.18 стрелками.

Рис.1.18. Доменная структура сегнетоэлектриков.

б) На границе раздела происходит постепенный или скачкообразный разворот молекулярных диполей от одной ориентации к доменов и их форма определяются минимумом энергии, затрачиваемой на создание собственного поля, энергии границ и энергии анизотропии. При этом сегнетоэлектрик разбивается на домены таким образом, что его результирующий электрический момент практически равен нулю

(рис 19,а).

в) Наконец, энергия двух доменов одинакового объема, но поляризованных в разных кристаллографических направлениях может оказаться различной. Эта разница в энергиях называется энергией ани-

зотропии.

Поскольку формирование структуры из расплава происходит в отсутствие внешнего электрического поля, то конфигурация типа рис.18,в является предпочтительной вследствие выполнения фунда-

32

ментального принципа самопроизвольной минимизации запаса энергии системы.

Рис.1.19. Эволюция доменной структуры во внешнем электрическом поле.

При наличии внешнего электрического поля энергия отдельных доменов оказывается неодинаковой: она меньше у тех доменов, в которых вектор поляризации образует с направлением поля острый угол, и больше у тех, у которых этот угол тупой.

Рис.1.20. Кривая поляризации сегнетоэлектрика.

Действие поля на домены первоначально проявляется в смещении границ между доменами, причем это

смещение происходит так, что объем доменов с благоприятной ориентацией вектора Р (с меньшей энергией) увеличивается за счет доменов, ориентированных неблагоприятно (рис.1.19,б). Начальное смещение границ (в слабых полях) носит обратимый характер, поэтому поляризация точно следует за изменениями поляризующего поля

33

(рис.1.20, участок ОА). При дальнейшем увеличении поля смещение границ доменов делается необратимым (рис.1.20, участок АВ). Этот процесс требует совершения работы со стороны источника внешнего поля. Так что и образование междоменных границ и их движение связано с определенными затратами энергии. Ее величину (в расчете на единицу объема) можно оценить по величине площади петли гистерезиса.

Наконец, границы исчезают вовсе (рис.1.19,в). При дальнейшем увеличении происходит поворот (вслед за полем) электрических моментов доменов (рис.1.20, участок ВС), которые в итоге устанавливаются параллельно полю при некотором значении его напряженности (рис.1.19,г). Сегнетоэлектрик превратился в один гигантский домен, поляризованный до насыщения (рис.1.20, состояние С). При уменьшении напряженности поляризующего поля кривая Р(Е) не идет к нулю по первоначальной кривой, так как смещение границ некоторых доменов оказывается необратимым. Проявляется гистерезис, разрушение остаточной поляризации требует электрического поля противоположной ориентации.

1.6. Пьезоэлектрические явления. Электрострикция. Электреты.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется поляри-

зация диэлектриков, обусловленная их механической деформацией. Пьезоэффект наблюдается у кварца, сегнетовой соли, метатитаната бария, турмалина и некоторых других кристаллов с низкой симметрией строения.

34

На ‘‘качественном’’ уровне может быть дано следующее объяснение явлению пьезоэлектрического эффекта. Вообще любую пространственную решетку, особенно многокомпонентного вещества, можно представить состоящей из двух или нескольких более простых, например, кубических решеток. В частности, можно рассматривать решетки из положительных и отрицательных ионов. При механической деформации происходит взаимный сдвиг этих решеток, в результате чего диэлектрик поляризуется. В зависимости от ориентации заряженных граней кристаллов относительно направления нагружения различают прямой продольный и прямой поперечный пьезоэффект.

Из энергетических соображений можно прогнозировать и обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при поляризации диэлектриков во внешнем электрическом поле имеют место механические деформации. Силы электрического поля вызывают смещение простых (‘‘вставных’’) решеток, в результате чего изменяются линейные размеры кристалла, причем возможны изменения как продольных (относительно ориентации напряженности поля) размеров, так и поперечных. Соответственно, различают продольный и поперечный обратный пьезоэффект.

Кроме того, во всех без исключения диэлектриках имеет место электрострикция - увеличение или уменьшение в процессе поляризации одних размеров диэлектрика при одновременном соответствующем уменьшении или увеличении других (вспомните хотя бы механизм ионной поляризации).

35

На первый взгляд может показаться, что обратный пьезоэффект

иэлектрострикция неразличимы. Однако это не так. Пьезоэффект наблюдается только у некоторых диэлектриков, электрострикция же - у всех твердых диэлектриков. Обратный пьезоэффект обусловлен смещением простых решеток в целом, электрострикция же объясняется действием поля на отдельные молекулярные диполи, соответственно,

имасштаб перемещения при пьезоэффекте значительно выше. Деформация при обратном пьезоэффекте зависит от напряжен-

ности поля по линейному закону и при изменении направления поля изменяет свой знак (это значит, что растяжение изменяется на сжатие, если направление поля изменяется на противоположное). Деформация же, обусловленная электрострикцией, зависит от напряженности поля по квадратичному закону и не изменяет своего знака при изменении направления поля.

Наконец, существуют диэлектрики, которые будучи однажды поляризованы, сохраняют приобретенную поляризацию. Такие диэлектрики называются электретами. Они могут быть получены, например, охлаждением во внешнем электрическом поле расплавов некоторых смол.

1.7. Теоретическое значение и практическое применение диэлектриков.

1. Изучение электрических свойств диэлектриков имеет важное теоретическое значение. Знание дипольных моментов молекул раз-

36

личных веществ помогает установлению структурных формул и выяснению типа связей между атомами и группами атомов в молекулах, так как каждому типу связи соответствует величина дипольного момента определенного диапазона.

2.Диэлектрики широко используются в электро- и радиотехнике как изоляционные материалы и диэлектрические заполнители конденсаторов, причем в последней роли сегнетоэлектрики незаменимы, особенно в области микросхем.

3.Широкое практическое применение нашли прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект используется

вустройствах преобразования механических деформаций в электрический сигнал, например, в пьезоэлектрических звукоснимателях и микрофонах. Обратный пьезоэффект применяется в различных генераторах, преобразующих электрический сигнал в механическое перемещение, в частности, - в ультразвуки медицинского и технического применений (тонкое перемешивание суспензий, очистка изделий от жировых загрязнений, конструирование сонарной техники и т.п.).

4.Высокое постоянство частоты собственных колебаний кварца используется для стабилизации частоты электромагнитных колебаний, что имеет огромное значение в радиотехнике. Генераторы с кварцевыми стабилизаторами представляют, в сущности, очень точные часы, что и используется как в обычных наручных часах, так и в специальных высокоточных устройствах. О точности пьезокварцевых часов можно судить хотя бы по факту установления с их помощью неравномерности вращения Земли вокруг своей оси.

37

5. В приборах, называемых ‘‘вариконды’’ (конденсаторы с нелинейной зависимостью емкости от напряжения), используется зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от величины приложенного напряжения. В последнее время электреты находят применение как в высокоэффективных микрофонах, так и в автономных устройствах газоочистки.

Литература:

1.Воронов И.Н. Специальный курс физики твердого тела. - Новокузнецк, СибГИУ, -2000 - 474с.

2.Савельев И.В. Курс общей физики, т.2.- М.: Наука, 1970, 431с.

3.Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике, т.5. - М.: Мир, 1977. 300с.

4.Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энер-

гоиздат, 1982. 320с.

II. ВЕЩЕСТВА В МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ.

Определение в начале 19 века движения электрических зарядов в качестве источника магнитного поля и установление ядерноэлектронного строения вещества в начале 20 века предопределило современные представления о невозможности индифферентной реакции на внешнее магнитное поле любых веществ в любом агрегатном со-

38

стоянии - газообразном, жидком или твердом. Таким образом, все вещества в природе являются магнетиками разных типов.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов и молекул, положив в основу гипотезу Ампера, согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

2.1. Магнитные моменты электронов и атомов.

Рассмотрим изолированный атом, не подверженный действию внешнего магнитного поля. Согласно представлениям классической физики, электроны в атомах движутся по круговым орбитам.

Рис.2.1. К выводу величин магнитного момента электрона.

Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току. Поэтому любой атом или

молекулу, с точки зрения их магнитных свойств, можно рассматривать как некоторую совокупность электронных микротоков. В этом состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма.

Электрон, двигаясь по круговой орбите радиуса R с постоянной скоростью V, обладает орбитальным магнитным моментом Рm, направлен в туже сторону, что и магнитное поле в центре кругового то-

39

ка. Если электрон движется против часовой стрелки (рис.2.1), то ток направлен по часовой стрелке и вектор Рm, в соответствии с правилом правого винта, направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона.

Выражая частоту вращения электрона ν по орбите и площадь орбиты, и подставив в уравнение (1), получим Pm=ISn, модуль которого равен

Pm=IS=eνS,				(2.1)
где I = eν - сила тока,
ν - частота вращения электрона по орбите,
S - площадь орбиты.
ν = V/2πr; S = πr2,	pm =	eVr		(2.2)
	2

С другой стороны электрон, движущийся по орбите обладает механическим моментом импульса Le, модуль которого равен

Lе = mVr, (2.3)

где m - масса электрона.

Вектор Le (его направление также подчиняется правилу правого винта) называется орбитальным механическим моментом электрона.

Из рис.2.1 следует, что направления Pm и Le противоположны,

поэтому, учитывая выражения (2.2) и (2.3), получим:
Pm = (-e/2m)Le = qLe,	(2.4)
где величина
q = - e/2m	(2.5)

40