Сегнетоэлектрики

Существует группа веществ, которые могут обладать спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в отсутствие внешнего поля..Подобные вещества называются сегнетоэлектриками. (Сегнетовая соль, титанат бария.)

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей.

1. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает величины нескольких тысяч (у обычных диэлектриков ).

2. Зависимость D от Е не является линейной.

P

D

ε

E

E

E

3. Как следствие 2) зависит от Е

До насыщения Р растет быстрее Е , возрастает . Затем Р=const , а Е растет и следовательно уменьшается .

3. D и Р зависят не только от Е в данный момент, но и от предшествующих значений Е. Гистерезис (запаздывание)

D_ост – остаточная индукция

Е_к- коэрцитивная сила

3. Температура Кюри –Т_К .

При Т> Т_К сегнетоэлектрик переходит в обычный диэлектрик , например , BaTiO₃ T_K=125⁰C

Все эти особенности сегнетоэлектриков связаны с их структурой. Взаимодействие частиц в кристалле сегнетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливается параллельно друг другу. В исключительных случаях одинаковая ориентация дипольных моментов распространяется на весь кристалл. Обычно же дипольные моменты устанавливаются параллельно только в отдельных областях – доменах. Ориентация доменов различна.

В отсутствие поля результирующий момент равен 0. Под действием поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь вдоль поля.

Применяются при изготовлении малогабаритных конденсаторов большой емкости.

Пьезоэлектрический эффект

Некоторые кристаллы, не имеющие центра симметрии (в том числе все сегнетоэлектрики) при деформации поляризуются. Это явление называются пьезоэлектрическим эффектом. Величина поляризации пропорциональна деформации. При изменении знака деформации знак меняется также на обратный.Важнейшими пьезоэлектриками являются кварц, сегнетова соль, титанат бария.

Возьмем пластину из кварца, определенным образом вырезанную. Если сжимать ее по оси Y или растягивать по оси X, то на верхней и нижней гранях возникают связанные заряды. Если на грани пластинки наложить металлические обкладки и включить в замкнутую цепь, то при изменениях деформации кристалла в цепи будут возникать импульсы тока. Пьезоэлектрики широко используются в так называемых электроакустических приборах для преобразования механических (звуковых и ультразвуковых) колебаний в электрические и обратно. Пьезоэлектрические датчики позволяют регистрировать деформации, толчки, преобразовывая их в электрические импульсы.

Пьезоэлектрический эффект можно объяснить следующим образом. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких образованных разными атомами более простых решеток, вставленных друг в друга. Если кристалл не имеет центра симметрии, то при деформации происходит сдвиг простых решеток друг относительно друга, который может вызвать появление у кристалла электрического момента.

Наблюдается также обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что приложение внешней разности потенциалов к пластинке пьезоэлектрика приводит к механическим деформациям кристалла. Если прикладывать переменное напряжение, то в пластинке возбудятся механические колебания. Эти колебания станут особенно интенсивными, если частота переменного напряжения совпадает с собственной (резонансной) частотой пластинки. Такие настроенные в резонанс пьезоэлектрические пластинки используются для возбуждения ультразвуковых волн, для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике.