0. 4.5. Активные диэлектрики.

Основным используемым свойством пассивных диэлектриков является поляризация и большое удельное сопротивление.

Основным используемым свойством активных диэлектриков является способность менять свои электрические свойства в широком диапазоне под действием внешних энергетических воздействий.

Эти свойства активных диэлектриков позволяют использовать их для создания функциональных элементов электроники, генераторов, усилителей, модуляторов, преобразователей, датчиков.

4.5.1. Сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрики ― кристаллические диэлектрики и полупроводники, обладающие свойством самопроизвольной поляризации до насыщения в небольших областях (доменах) под действием внутренних процессов в определённых интервалах температур.

Существование сегнетоэлектриков связано с наличием сегнетоэлектрических доменов ― объёмных областей, в каждой из которых дипольные моменты ориентированы одинаково. В соседних доменах векторы спонтанной поляризации направлены различно, суммарная поляризованность образца равна нулю.

При внесении многодоменного образца во внешнее электрическое поле происходит поворот и ориентация доменов в направлении поля и их укрупнение. При достижении некоторой величины напряжённости поля Е все домены оказываются ориентированными в направлении поля и дальнейший рост поляризации не происходит. При циклическом изменении напряжённости внешнего электрического поля зависимость Р(Е) имеет вид замкнутой кривой, которая называется петлёй диэлектрического гистерезиса (рис.4.9).

Рис. 4.9. Петля диэлектрического гистерезиса и основная кривая поляризации

Характерные точки кривой: P_S, P_r ― поляризация насыщения и остаточная поляризация;

Е_С ― коэрцетивная сила.

При поляризации диэлектриков вектор электрического смещения равен

,

где ― вектор электрического смещения, характеризует поляризованность диэлектрика, которая зависит от величины наведенного заряда . ― электрическая индукция; σ ― плотность электрических зарядов;

― вектор поляризованности диэлектрика, характеризует степень поляризации диэлектрика в данной точке;

P = M / V― электрический момент единицы объёма диэлектрика.

― вектор напряжённости внешнего электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость ε характеризует способность диэлектрика к поляризации. Зависимости D(Е), ε(Е) ― нелинейны ( рис. 4.10). Проницаемость ε сегнетоэлектриков достигает больших величин (100000).

Рис.4.10. Зависимость ε (Е), D (Е) : ε_нач.– начальная диэлектрическая проницаемость при Е = 0; ε_max – максимальная диэлектрическая проницаемость при Е = Е_А; Е_А– напряжённость внешнего электрического поля при котором ε = ε_maх.

При повышении температуры переориентация доменов облегчается тепловым движением атомов в узлах кристаллической решётки. Проницаемость ε растёт до температуры точки Кюри, при которой ε = ε_max . При дальнейшем нагреве домены разрушаются, ε резко уменьшается (рис. 4.11), диэлектрик лишается своих сегнетоэлектрических свойств.

Рис.4.11. Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры при Е_MAX = 5,6 кВ/м.

Потери энергии в сегнетоэлектриках больше, чем в обычных диэлектриках. В сегнетоэлектриках имеются дополнительные потери на переполяризацию, пропорциональные площади петли гистерезиса.

Наиболее распространёнными сегнетоэлектриками являются ионные кристаллы титанита кальция CaTiO₃, титанита бария BaTiO₃, титанита свинца PbTiO₃; дипольные сегнетоэлектрики ― сегнетова соль, нитрид натрия. А также сегнетокерамика, стёкла, ситаллы.

Основное применение сегнетоэлектриков в электронике, оптоэлектронике, в лазерной технике. Конденсаторная сегнетокерамика применяется в малогабаритных конденсаторах, в нелинейных конденсаторах ― варикондах, в терморезисторах ― позисторах. Сегнетоэлектрики применяются в усилителях и стабилизаторах напряжения; в модуляторах лазерного излучения; в устройствах нелинейной оптики; в вычислительной технике (материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса). Часть сегнетоэлектриков обладает пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами.

0. 4.5.2. Пьзоэлектрики.

Пьезоэлектрики ― диэлектрики с сильно выраженным пьзоэлектрическим эффектом. Прямым пьзоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьзоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием электрического поля. Известно много веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, из них применяется ограниченное количество материалов. Это монокристаллы кварца, пьезоэлектрическая керамика, некоторые полимеры.

На ВЧ и СВЧ применяют монокристаллический природный и синтетический кварц (горный хрусталь, двуокись кремния SiO₂). Ещё более лучшими пьезоэлектрическими свойствами обладают синтетические кристаллы ниобата лития (LiNbO₃) и танталата лития (LiTaO₃).

Для изготовления пьезопреобразователей используется пьезоэлектрическая поликристаллическая керамика, пьезоэффект в которой выражен слабее, чем в монокристалле, но она дешевле и есть возможность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера.

В начале 1970-х годов открыты высокоэффективные полимерные пьезоэлектрики, выпускаемые в виде плёнок для бесконтактных переключателей, клавиатуры с высокой стабильностью свойств.

Рис.4.12. Основные области применения пьезоэлектрического эффекта.

Область применения пьезоэлектриков (рис.4.12):

– приёмники звука и ультразвука;

– излучатели звука и ультразвука, микрофоны, звукосниматели, датчики;

– резонансные стабилизаторы частоты, резонансные датчики давления, влажности, температуры, химического состава, пьезоэлектрические фильтры;

– электрические фильтры.