§ 5. Неизотропные диэлектрики

Формулы , применимы только к однородным изотропным диэлектрикам (жидким, газообразным, аморфным).

Электреты подобны постоянным магнитам: сохраняют поляризованность долгое время (часы, сутки, иногда годы) после «выключения» внешнего поля.

Электрет получают, поместив в сильное электрическое поле (порядка 10⁶ В/м) расплавленный диэлектрик, состоящий из полярных молекул (смесь воска и смолы). После застывания диэлектрика внешнее поле выключают.

Первый электрет был изготовлен в 1922 г.

Пьезоэлектрики

Явление открыто в 1880 г. Оно состоит в том, что на поверхностях кристалла (кварца, турмалина и некоторых других) при деформации возникают нескомпенсированные (поляризационные) заряды.

Как показывает опыт, это происходит при сжатии/растяжении кристалла в определенных направлениях, называемых полярными осями пьезоэлектрика. (Кристалл может иметь несколько таких осей).

Знаки зарядов на гранях А, В изменяются на противоположные, если сжатие сменяется растяжением.

Механизм пьезоэффекта. Он наблюдается только у некоторых ионных кристаллов. Подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем подрешетка из отрицательных ионов – для этого ячейка решетки не должна иметь центра симметрии.

На рисунке (а) изображена ячейка кристалла кварца (положительные ионы кремния и отрицательные ионы кислорода). При сжатии вдоль полярной оси на одном торце образуется избыток отрицательного заряда, на другом – положительного (рис. б). При растяжении – наоборот (рис. в).

а б в

Поляризованность кристалла и возникающая между гранями разность потенциалов пропорциональны приложенной силе.

Применение: пьезоэлектрические датчики для измерения быстроменяющегося давления, пьезоэлектрические микрофоны.

Обратный пьезоэффект: под действием внешнего электрического поля положительная и отрицательная подрешетки деформируются различным образом, и кристалл сжимается или расширяется.

Применение: кварцевый излучатель ультразвука. К пластинке кварца прикладывается переменное электрическое поле с частотой, равной одной из собственных частот пластинки (при этом амплитуда возникающих колебаний пластинки особенно велика). Пластинка, сжимаясь и растягиваясь, излучает ультразвуковые волны большой интенстивности.

Д емонстрация.

Пластинка из титаната бария зажата между обкладками из листовой латуни. Ударяем резиновым молоточком по пластинке – в неоновой лампе возникает разряд (вспышка).

Сегнетоэлектрики

Некоторые пьезоэлектрические кристаллы обладают спонтанной поляризованностью даже в отсутствие внешнего электрического поля. Направление спонтанной поляризованности совпадает с полярной осью сегнетоэлектрика.

Такая спонтанная поляризованность наблюдается только в определенном интервале температур. На границах этого температурного интервала кристалл претерпевает фазовые превращения, переходя в другие кристаллические модификации, в которых спонтанная поляризованность отсутствует.

Кристаллическая модификация, для которой Р_{сп. ,} называется полярной фазой, а остальные модификации – неполярными фазами.

Температура перехода из неполярной фазы в полярную называется точкой Кюри (Т_К). Как правило, сегнетоэлектрики имеют только одну точку Кюри; исключение составляет сегнетова соль – у нее две точки Кюри: верхняя и нижняя (—18 и +24°С).

В неполярной фазе , где - диэлектрическая восприимчивость сегнетоэлектрика.

1) Одна из характерных особенностей сегнетоэлектрика – очень большие значения . У сегнетовой соли .

С егнетоэлектрики широко применяются в качестве материалов, обладающих большими значениями   (например, в конденсаторах).

2) Во внешнем электрическом поле в сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания»).  

Если взять неполяризованный кристалл и постепенно увеличивать напряженность  Е₀ внешнего поля, поляризованность Р будет расти, достигая насыщения (синяя кривая). Если теперь уменьшать поле Е₀, поляризованность уменьшается медленнее (красная кривая), и при  Е₀=0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность  Р_С. Чтобы унич­тожить остаточную поляризованность, надо приложить электрическое поле обратного направления (—E_с). Величина Е_c называется коэрцитивной силой. Если далее Е изменять, то Р изменяется по кривой петли гистерезиса.

Итак, поляризованность зависит от предшествующей истории образца.

Д емонстрация. Петля гистерезиса на осциллографе.