Вынужденная поляризация

Вынужденная поляризация- это поляризация, возникающая в активных диэлектриках не из-за воздействия на них электрического поля, а по другим причинам: механические воздействия, изменения температуры, действие излучений и др.

4.1 Сегнетоэлектрики

Существует большая группа кристаллических диэлектриков и полупроводников, у которых в определенном интервале темпера­тур и давлений в отсутствие внешнего электрического поля возни­кает спонтанная поляризация, направление которой может быть изменено электрическим полем или механическим напряжением. Такие вещества называются сегнетоэлектриками. Они обладают нелинейной зависимостью поляризации от напряженности элек­трического поля и способностью к переполяризации.

Сегнетоэлектрики получили свое название от сегнетоэлектрической соли NaKC4H4О6*4H2О - минерала, для которого впервые наблюдалась нелинейность зависимости Р (Т). Сегнетоэлектрические свойства вещества проявляются до определенной (критиче­ской) температуры (точка Кюри Тс), выше которой происходит фазовое превращение 2-го или 1-го (близкого ко 2-му) рода из по­лярной (сегнетоэлектрической) фазы в неполярную (параэлектрическую) фазу.

Рисунок 2: Петля гистерезиса сегнетоэлектрика:

Рr - остаточная поляризация; Ес - коэрцитивная сила

Характерной особенностью сегнетоэлектриков является наличие петли гистерезиса на зависимости Р(Т) (Рисунок 2). Существование сегнетоэлектрического гистерезиса связано с наличием сегнетоэлектрических доменов- объемных об­ластей, в каждой из которых дипольные моменты ориентированы одинаково. В соседних доменах век­торы поляризации направлены раз­лично. Образование поляризации в определенном направлении связано с упорядоченным взаимодействием диполей. Разбиение на домены про­исходит в результате энергетической выгодности многодоменной структуры - возрастание энергии за счет образования доменных стенок компенсируется уменьшением энергии электростатического взаимодействия различных частей кристалла.

Приложение электрического поля к многодоменному образцу сегнетоэлектрика вызывает вначале рост его поляризации по зако­ну, близкому к линейному (участок OA на рисунке 2), так как сла­бые электрические поля не приводят к росту зародышей доменов с направлением Р, совпадающим с направлением поля. При даль­нейшем увеличении Е начинаются процессы роста зародышей до­менов и переориентации диполей, приводящие к интенсивному росту поляризации (АВ). При достижении некоторой величины напряженности поля (точка В) все домены оказываются ориенти­рованными в направлении поля. Дальнейший рост поляризации с увеличением поля происходит линейно (ВС) за счет электронной и ионной составляющих поляризации. При уменьшении напряжен­ности поля до нуля (CD) переориентации диполей не происходит и сохраняется остаточная поляризация Pr. Продолжение прямой СВ до пересечения с осью ординат даст значение спонтанной по­ляризации Ps.

Обратная переориентация диполей начинается только при Е< 0, что приводит к уменьшению поляризации до нуля (DF). На­пряженность электрического поля, при которой поляризация равна нулю, носит название коэрцитивной силы (коэрцитивного поля). Дальнейшее увеличение поля вызывает полную переориентацию диполей (FG). При завершении периода изменения электрического поля завершается и гистерезисный цикл (GHC).

Поскольку поляризуемость сегнетоэлектрика зависит от внеш­него поля нелинейно, то диэлектрическая проницаемость является функцией напряженности поля. Поэтому для сегне-тоэлектриков вводят понятие дифференциальной относительной диэлектриче­ской проницаемости:

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости в параэлектрической фазе описывается законом Кюри-Вейсса:

,

где С - константа.

4.2 Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики - вещества (диэлектрики и полупроводники), в которых при определенных упругих деформациях (напряжениях) возникает вынужден­ная электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля - пря­мой пьезоэффект.

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезо­эффект— появление механических деформаций под действием электрического поля. При упругой деформации происходит сме­щение положительных и отрицательных ионов друг относительно друга, что приводит к возникновению электрического момента. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Смещение частиц в кристаллах, обладающих центром симметрии, не приводит к появлению поляризованного состояния. В этом случае происходит электрическая компенсация моментов.

Механические и электрические переменные в нецентросимметричных кристаллах связаны между собой линейно. Коэффициентом пропорцио­нальности является совокупность пьезомодулей или пьезоконстант:

где - компонент поляризации; - тензор пьезоэлектрических модулей третьего ранга; - тензор напряжений .

К пьезоэлектрикам относятся, например, кварц, кристаллы дигидрофосфата калия КН2Р04, различные виды пьезокерамики и др. Пьезоэлектрики находят применение в качестве мощных излучате­лей, приемников и источников ультразвука, стабилизаторов часто­ты, электрических фильтров высоких и низких частот, трансфор­маторов напряжения и тока.

4.3 Пироэлектрики

Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, у которых при нагревании или охлаждении происходит изменение поляриза­ции. Пироэлектрики обладают спонтанной поляризацией вдоль полярной оси. При наличии полярной оси отсутствует центр сим­метрии. Поэтому любой пироэлектрик является пьезоэлектриком, но не наоборот.

Повышение температуры приводит к разупорядочению дипо­лей за счет теплового движения, а следовательно, к изменению спонтанной поляризации — первичный пироэффект. С увеличени­ем температуры изменяются линейные размеры кристалла (тепло­вое расширение), что также приводит к изменению спонтанной поляризации - вторичный (ложный) пироэффект.

Первичный и вторичный пироэффекты линейно зависят от тем­пературы:

,

где - компоненты вектора спонтанной поляризации; и - компоненты векторов пироэлектрических коэффициентов для пер­вичного и вторичного пироэффектов соответственно.

В качестве примеров пироэлектриков можно привести: турмалин Li2SO4*H2O; сегнетоэлектрические монокристаллы LiTaО3, LiNbО3, Pb5Ge3O11];

керамические сегнетоэлектрики ВаТiOз, титанат- цирконат свинца; полимеры поливинилфторид [—СН2 —CHF —] ,полиакрилонитрил[—СН2 CH(CN) —] . На основе пироэлектриков изготавливают высокочувствительные теплодатчики, термоэлек­трические преобразователи, детекторы инфракрасного излучения малой мощности.

4.4 Электреты

Электреты— диэлектрики, длительное время сохраняющие по­ляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, вы­звавшего поляризацию. Они являются источниками электрического поля (аналоги постоянных магнитов). Электреты могут быть полу­чены практически из любых полярных диэлектриков: органических полимерных (политетрафторэтилен, он же фторопласт-4, фторлон-4, тефлон [-CF2 — CF2—]n; полипропилен [-СН2СН(СН3)-] n; поли­карбонаты [-ORO - С(О)-]n, где R- ароматический или алифати­ческий остаток; полиметилметакрилат, он же плексиглас [-СН2-С(СН3)(СООСН3)-]n и др.); неорганических монокри­сталлических (кварц, корунд и др.), поликристаллических (керами­ки, ситаллы и др.), стекол. Наиболее стабильны электреты из пле­ночных фторсодержащих полимеров.

Стабильные электреты получают:

-нагревая, а затем охлаждая диэлектрик в сильном электри­ческом поле (термоэлектреты);

-освещая в сильном электрическом поле (фотоэлектреты);

-подвергая радиоактивному облучению (радиоэлектреты);

-поляризацией в сильном электрическом поле без нагревания (электроэлектреты);

-поляризацией в магнитном поле (магнитэлектреты);

-при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты);

-механической деформацией полимеров (механоэлектреты);

-трением (трибоэлектреты);

-действием поля коронного разряда (короноэлектреты).

Со временем у электретов наблюдается уменьшение заряда, обычно более быстрое в первое время после изготовления. В даль­нейшем заряд меняется незначительно в течение длительного вре­мени, например, у электрета из политетрафторэтилена время жиз­ни ~ лет.

Электреты применяют как источники электрического поля (электретные телефоны и микрофоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и др.); чувствительные датчики в дозиметрах, устрой­ствах электрической памяти; для изготовления барометров, гигро­метров, газовых фильтров, пьезодатчиков.