2.5. Нелинейные диэлектрики

Рассмотренные ранее диэлектрические вещества относились к классу линейных диэлектриков, т.е. таких, у которых поляризованность P линейно зависит от напряжённости E. Более сложными (но и более интересными и практически ценными) являются нелинейные диэлектрики, у которых аналогичная зависимость нелинейна.

Рассмотрим основные типы нелинейных диэлектриков.

2.5.1. Сегнетоэлектрики

К сегнотоэлектрикам относятся некоторые кристаллические вещества, у которых в отсутствие внешнего электрического поля возникает самопроизвольная (спонтанная) ориентация дипольных моментов отдельных молекул, находящихся в узлах кристаллической решётки. Сегнетоэлектрики обладают доменной структурой. Домен представляет собой микроскопическую область, внутри которой дипольные моменты молекул ориентированны параллельно друг другу. В отсутствие внешнего электростатического поля домены как целое ориентированны произвольным образом. Во внешнем электростатическом поле происходит поворот ориентации доменов в направлении внешнего поля и поляризованность быстро растёт до состояния насыщения P_н (рис. 2.7, а), после чего дальнейший рост поляризованности прекращается. Аналогично изменяется и вектор электрического смещения с той лишь разницей, что при достижении E_н вектор смещения не остаётся постоянным, а медленно возрастает (рис. 2.7, б). Для линейных диэлектриков диэлектрическая проницаемость определяется соотношением и не зависит от E. Для

Рис. 12.7

нелинейных диэлектриков и является функцией от напряжённости поля E (рис. 2.7, в).

При измерениях направления напряжённости поля E поляризованность P не успевает следовать за ним и происходит отставание P от E, называемое гистерезисом. Если исходный сегнетоэлектрик не был поляризован, то с ростом E его поляризованность растёт по кривой OA (рис. 2.8), а при уменьшении E поляризованность уменьшается по кривой AB, оставаясь больше предыдущих значений. При E=0 сохраняется некоторое значение остаточной поляризованности P₀ (точка B на рис. 2.8). Чтобы убрать остаточную поляризованность, необходимо приложить в обратном направлении некоторое значение напряжённости поля E_c, называемое коэрцитивной силой. При дальнейших изменениях напряжённости поля кривая P(E) замыкается, образуя петлю гистерезиса.

Рис. 2.8

Необычные свойства сегнетоэлектриков наблюдаются лишь в некотором интервале температур. При температурах TT_k, где T_k – температура Кюри, происходит разрушение доменов и сегнетоэлектрик превращается в обычный полярный диэлектрик.

Сегнетоэлектрики находят практическое применение в постоянных конденсаторах (высокая ёмкость при малых габаритных размерах) и конденсаторах, ёмкость которых управляется приложенным напряжением (вариконды).

2.5.2. Электреты

Особым классом нелинейных диэлектриков является электреты, свойства которых были предсказаны в конце XIX в. Хевисайдом, а экспериментально обнаружены Егучи в 1922 г.

Электреты изготовляются из вязких полярных жидкостей (смолы, полимеры), которые в жидком состоянии поляризуются сильным внешним полем, а затем при охлаждении переходят в твёрдое «стеклообразное» состояние. При снятии внешнего поля разориентация полярных молекул не происходит вследствие высокой вязкости вещества. Брусок электрета остаётся поляризованным в отсутствие внешнего поля и может создавать в окружающем пространстве электрическое поле.

Электреты используются в микрофонах звуковоспроизводящих устройств, в счётчиках микро частиц для создания ускоряющих полей и в электрофотографии.