ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

стремятся увеличить до максимума, так как это приводит к увеличению электрической энергии (W), запасенной в конденсаторе:

Представители пассивных диэлектриков: оксид алюминия (Al2O3), оксид магния (MgO), диоксид кремния (SiO2), полиэтилен, полипропилен, тефлон и др.

Активные диэлектрики — диэлектрики, у которых имеются специфические зависимости ε, γ, коэффициента прохождения электромагнитной волны через материал, а также показателя преломления света от напряженности электрического поля.

Рис. 2.10. Зависимость ε = f(Е) для пассивного и активного диэлектриков

Активный диэлектрик также называется нелинейным диэлектриком или управляемым, так как его свойства изменяются под воздействием электрического поля (рис. 2.10) или другого внешнего энергетического фактора.

Ассортимент и виды активных диэлектриков постоянно расширяются, особенно в последние десятилетия, что связано с развитием электро- и радиотехники, оптоэлектроники. Существует достаточно

23

большое количество различных групп активных диэлектриков. Основные группы представлены и кратко охарактеризованы ниже.

Сегнетоэлектрики. Главное свойство сегнетоэлектриков — наличие зависимости относительной диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Зависимость ε от напряженности электрического поля для сегнетоэлектрика

Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру, причем в пределах каждого домена все электрические дипольные моменты сориентированы друг относительно друга. (Наличие доменной структуры в сегнетоэлектриках, имеющей формальное сходство с доменной структурой магнитных материалов, дало основание для названия сегнетоэлектриков «ферроэлектриками». Это название используется в зарубежной литературе).

Сегнетоэлектрики относятся к полярным диэлектрикам с упорядоченным расположением дипольных электрических моментов. Снижение избыточной электростатической энергии достигается за счет самопроизвольного разбиения сегнетоэлектрика на макроскопические области — домены размером 0,01-1 мкм, обладающие спонтанной поляризацией (рис. 2.12). Как следует из этого рисунка, направление электрических моментов у соседних доменов противоположно или перпендикулярно. При этом электрические моменты доменов

24

ориентируются по принципу «голова» к «хвосту». Внешнее электрическое поле Е создает поток электрической индукции D внутри сегнетоэлектрика. Этот поток изменяет направление электрических моментов доменов, создавая эффект очень сильной поляризации. Поэтому сегнетоэлектрики характеризуются сверхбольшими значениями относительной диэлектрической проницаемости, достигающими величины 105.

Рис. 2.12. Доменная структура сегнетоэлектрика

Наличие доменов существенно сказывается на свойствах сегнетоэлектрика. Под действием электрического поля доменные границы смещаются так, что объемы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счет объемов доменов, поляризованных против поля. Доменные границы обычно «закреплены» на дефектах и неоднородностях в кристалле, и необходимы электрического поля достаточной величины, чтобы их перемещать по образцу. В сильном поле образец целиком поляризуется по полю — становится однодоменным. После выключения поля в течение длительного времени образец остается поляризованным. Необходимо достаточно сильное электрическое поле противоположного направления, называется коэрцитивным, чтобы суммарные объемы доменов противоположного знака сравнялись. В сильном поле происходит полная переполяризация образца. Зависимость электрической индукции D образца от напряженности

25

электрического поля Е нелинейная и имеет вид петли гистерезиса

(рис. 2.13).

D

Dr

Ec

E

S

Рис. 2.13. Петля диэлектрического гистерезиса: Dr — остаточная электрическая индукция; Ес — коэрцитивная сила; S — площадь петли

(S пропорциональна величине тангенса угла диэлектрических потерь)

Температурная зависимость ε сегнетоэлектрика (рис. 2.14) имеет вид кривой с экстремумом.

ε

Тк Т

Рис. 2.14. Температурная зависимость ε для сегнетоэлектрика

Резкий спад ε после температуры Кюри (Тк) связан с тепловой разориентацией электрических дипольных моментов в доменах.

26

Первым материалом, у которого были обнаружены сегнетоэлектрические свойства, была сегнетова соль (в честь нее эти материалы получили свое название), которая в XVII веке использовалась для врачевания ран. В настоящее время широко применяются такие сегнетоэлектрики как титанат бария (BaTiO3), титанат кальция (СaTiO3), титанат стронция (SrTiO3) и другие.

Сегнетоэлектрики используются для создания варикондов (нелинейных конденсаторов), для которых характерна зависимость емкости от напряженности электрического поля.

Пьезоэлектриками являются вещества, обладающие пьезоэффектом. Различают прямой и обратный пьезоэффекты. Под прямым пьезоэлектрическим эффектом (открыт в 1880 году братьями П. и Ж. Кюри. Название от греческого слова «пьезо» — « давить») понимается как возникновение поляризации диэлектрика под действием механической нагрузки. Под обратным пьезоэлектрическим эффектом — деформация диэлектрика под действием электрического поля.

Эти материалы так же, как и сегнетоэлектрики, имеют доменную структуру, часть пьезоэлектриков являются сегнетоэлектриками.

Типичные представители пьезоэлектриков:

-кристаллический кварц (горный хрусталь), химический состав которого SiO2. При температуре ниже, чем 573 ° С, SiO2 — типичный пьезоэлектрик. В настоящее время кристаллы кварца выращиваются промышленным способом;

-пьезокерамика ЦТС (цирконий (Zr), титан (Ti), свинец (Pb)) —

PbZrO3 + PbTiO3.

Применение пьезоэлектриков:

стабилизация частоты электромагнитного поля; создание ультразвуковых (УЗ) колебаний, в том числе и для

технологических целей; УЗ - диагностика (дефектоскопия);

пьезоэлектрические электрические фильтры;

27

пьезоэлектрические трансформаторы (применяются в радиотехнике, преобразуют электрическую энергию в механическую и электрическую);

пьезоэлектрические приемники (обладают высокой чувствительностью и низким уровнем шумов).

Пироэлектрики. Прямой пироэффект («пиро» от греческого слова «тепло») заключается в том, что на поверхности диэлектрика появляются заряды, а в объеме возникает вектор поляризованности (Р) при нагревании или охлаждении диэлектрика. Пироэффект значительно слабее, чем пьезоэффект. Обратный пироэффект состоит в том, что при изменении электрического поля изменяется температура диэлектрика.

Типичные представители пироэлектриков:

- кристаллы — триглицинсульфат, LiNbO3 (Nb — ниобий) и LiTaO3 (Ta — тантал). Ниобат и танталат лития могут применяться до

500° С;

-керамика ЦТСЛ: цирконий (Zr), титан (Ti), свинец (Pb), лантан

(La) – ZrO 2 – TiO 2 – PbO – La 2O3 и др.

Применение пироэлектриков:

датчики и приемники излучения, включая СВЧ, ИК и УФ излучения;

теплометрические приборы; датчики ударных волн.

Электреты — диэлектрики, в которых длительно сохраняется предварительно созданное неравновесное распределение электрических зарядов, обеспечивающее существование электрического поля, т. е. для них характерно отсутствие зависимости заряда от времени. Диэлектрики этого вида отличаются временами релаксации порядка нескольких лет. Электрет является электрическим аналогом постоянного магнита (рис. 2.15).

28

(порядка 20 лет, особенно, если пленка работает при пониженной влажности).

Применение электретов: микрофоны, телефоны, датчики влажности, сейсмодатчики, искробезопасные воздушные фильтры.

Жидкие кристаллы — это вязкие жидкости, которые в то же время обладают анизотропией свойств, т. е. зависимостью свойств от направления приложения воздействия, что характерно для твердых кристаллических тел.

Жидкий кристалл по физическому состоянию находится между жидкостью и твердым телом в некотором температурном интервале:

Эти кристаллы впервые были обнаружены в 1888 году австрийским ботаником Ф. Рейнитцером в растениях. Молекулы жидких кристаллов имеют вытянутый палочкообразный вид. Химическая связь между молекулами слабая, поэтому молекулы могут под действием электрического поля поворачиваться, что препятствует или способствует прохождению света через кристалл. Представители: органические материалы, например, р — метоксибензилиден (С18Н21NO) – р' – n — бутиланилин.

Жидкие кристаллы используются в электрооптических ячейках цифровых индикаторных устройств, дисплеев и др.

Лазерные материалы — материалы, в которых возможен одновременный коллективный переход электронов в атомах с одного энергетического уровня на другой с излучением мощного импульса энергии (излучение в сверхвысокочастотном и инфракрасном диапазонах).

Лазерный материал состоит из диэлектрической матрицы с ак-

на основе розового рубина: Al2O3 + (0,03 – 0,05) % Cr 3 +, где Al2O3 — диэлектрическая матрица, (0,03 – 0,05) % Cr 3 + — ион-активатор.

30

Al2O3 + 0,5 % Cr3 + — ярко-красный рубин (драгоценный камень, второй по стоимости после алмаза). Розовые рубины для лазеров в настоящее время выращиваются искусственным способом.

Лазеры применяются, начиная с военных нужд, заканчивая медицинскими: определение расстояний, для технологических процессов (резка, пайка, сварка, изготовление отверстий), наведение авиационных бомб на цель (с высоты 10 км с точностью ± 1 м), при операциях на сетчатке глаза, подпитка энергией плазмы в термоядерном реакторе и другое.

Электрооптические материалы. Характерной особенностью этих материалов является наблюдаемая в них зависимость показателя преломления света от напряженности электрического поля. Таким образом, меняя напряженность электрического поля, можно изменять интенсивность оптического сигнала. Механизм этого явления при внешнем сходстве с эффектами, наблюдающимися в жидких кристаллах, имеет различную природу. Эти материалы применяются в оптоэлектронике.

Представителями электрооптических материалов являются: кристаллы LiNbO3 и LiTaO3 с доменной структурой;

керамика ЦТСЛ = ЦТС (PbZrO3 + PbTiO3) + оксид лантана (La2O3) и др. Эти материалы уже встречались ранее в тексте в виде пироэлектриков.

Магнитные материалы. По применению в технике магнитные материалы подразделяются следующим образом:

магнитомягкие материалы; магнитотвердые материалы;

магнитные материалы специального назначения; магнитные жидкости.

31