Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект

Существует группа веществ, называемых сегнетоэлектри­ками, которые могут обладать спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в отсутствие внешнего поля. Свое название они по­лучили от названия сегнетовой соли – K Na C₄ H₄ O₆ · 4 H₂ 0 (ка­лиево-натриевая соль винной кислоты), на которой это явление было открыто.

Характерные особенности сегнетоэлектриков:

1. Большие значения ε – порядка десятков тысяч.

2. Зависимость D от Е не является линейной.

3. При изменении напряженности поля вектор поляриза­ции в своем изменении отстает от изменения напряженности Е.

Это явление называется гистерезисом (от греч. – “запаздывание”). При циклических изменениях поля зависимость Р от Е изобража­ется петлей гистерезиса (рис. 87). Как видно из рисунка с увеличением напряжённости Е внешнего электрического поля поляризованность Р растёт, достигая насыщения (кривая 1). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и при достижении напряжённости Е нулевого значения(отсутствие внешнего поля) сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Р_r, то есть сегнетоэлектрик остаётся поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить внешнее электрическое поле противоположного направления напряженностью Е_с. Величина Е_с называется коэрцетивной силой. Если далее изменять напряжённость внешнего поля Е, то поляризованность Р изменяется по кривым образующим петлю гистерезиса.

Гистерезис объясняется доменной структурой сегнетоэлек­трика. В объёме сегнетоэлектрика существуют области (домены), в пределах которых дипольные моменты всех молекул параллельны друг другу. В отсутствие внешнего электрического поля векторы поляризованности доменов ориентированы хаотично и суммарная поляризованность сегнетоэлектрика равна нулю. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее при этом суммарно электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Для каждого сегнетоэдектрика существует диапазон температур, за пределами которого он утрачивает свои необычные свойства. Эти температуры называются точками Кюри. Для сегнетовой соли это –15⁰ С и + 22⁰С.

Пьезоэлектрическим эффектом называют способность кри­сталлов поляризоваться при их деформации. Степень поляризации пропорциональна деформации, а сле­довательно и механическому напряжению. При изменении знака де­формации знак поляризации меняется на обратный. Важнейшими пьезоэлектриками являются кварц, сегнетовая соль, титанат бария и др.

У пьезокристаллов наблюдается и обратный пьезоэлектриче­ский эффект – когда поляризация диэлектрика сопровождается ме­ханической деформацией. Это явление используется для возбуждения ультразвуковых волн. Следует отличать пьезоэлектрический эффект от электро­стрикции, т.е. механического натяжения диэлектрика на границе диэлектрика с телом при его поляризации.