Общая физика электричество и магнетизм

титана являются равновероятными, поэтому возникающие домены взаимно уравновешиваются и кристалл в целом не обладает электрическим дипольным моментом.

ная поляризация исчезает и направление дипольного момента каждой молекулы зависит от характера ее теплового движения. В точке Кюри диэлектрическая проницаемость ε достигает своего максимального значения (см. рис. 17.12). Данный фазовый переход обратим: при охлаждении сегнетоэлектрика ниже температуры Кюри он из состояния полярного диэлектрика опять возвращается в состояние сегнетоэлектрика с доменной структурой.

Для многих сегнетоэлектриков зависимость диэлектрической проницаемости ε от температуры подчиняется закону Кюри– Вейсса:

51

пряженности электрического поля в области II происходит уже необратимое скачкообразное смещение границ доменов. К концу области II остаются только домены с энергетически выгодной ориентацией дипольных электрических моментов во внешнем поле, то есть те домены, у которых векторы поляризации составляют с вектором напряженности внешнего электрического поля углы меньше 90о. В области III наблюдается процесс поворота электрических дипольных моментов доменов по направлению электрического поля. Область IV соответствует насыщению, когда все дипольные моменты доменов ориентированы по направлению внешнего электрического поля (рис. 17.14, б). Явление насыщения заключается в том, что, начиная с некоторого значения напряженности поля Е, величина поляризованности Р не изменяется при увеличении напряженности внешнего поля (см. рис. 17.9, рис. 17.13).

аб

Рис. 17.14. Схема доменной структуры сегнетоэлектрика:

а– в отсутствии внешнего электрического поля;

б– при достижении насыщения

При уменьшении напряженности внешнего поля E до нуля наблюдается постепенная разориентация дипольных моментов доменов и уменьшение поляризованности Р происходит по ветви 2 (см. рис. 17.13). При значении поля Е = 0 электрические дипольные моменты некоторых доменов сегнетоэлектрика остаются ориентированными в направлении поля, вызвавшего поляризацию. В данном случае говорят, что сегнетоэлектрик при Е = 0 обладает остаточной поляризованностью Рr (см. рис. 17.13). Остаточная поляризованность сегнетоэлектрика может быть сведена к нулю, если приложить электрическое поле обратного направления с напряженностью Ес. Это значение напряженности поля называется коэрцитивной силой.

53

Коэрцитивной силой называется величина внешнего поля Ес, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему поляризацию сегнетоэлектрика, которое обращает в ноль остаточную поляризацию. При дальнейшем изменении величины поля Е процесс повторяется и изменение поляризованности сегнетоэлектрика от напряженности поля происходит по петле гистерезиса (см. рис. 17.13).

Согласно (17.10) вектор электрического смещения D связан с вектором напряженности внешнего электрического поля как

D 0E P.

Когда поляризованность сегнетоэлектрика достигнет насыщения,

вектор поляризации будет величиной постоянной (Рнас = const)

и модуль вектора D можно записать в виде

D ε0 E const.

Таким образом, из зависимости величины вектора электрическо-

го смещения D от напряженности Е внешнего электрического поля (рис. 17.15) следует, что, на-

чиная со значения напряженности электрического поля Е1, значение вектора электрического смещения линейно зависит от напряженности внешнего поляризующего электрического поля.

Сегнетоэлектрики принято характеризовать двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь.

54

Диэлектрическими потерями называется часть энергии, превращаемая в теплоту в процессе поляризации диэлектрика.

Тепло в диэлектрике выделяется как в постоянном, так и в переменном электрическом поле. Особенно сильно диэлектрики могут нагреваться в полях высокой частоты. Величина потерь зависит от структуры диэлектрика, вида поляризации, наличия дефектов, примесей, температуры.

В переменном электрическом поле диэлек-

трик обладает наряду с омическим еще и ре- Ir I активным сопротивлением, связанным с нали-

чием у него емкости. Поэтому полный ток I, текущий через диэлектрик, будет представлять сумму активного Iа и реактивного Ir

тока (рис. 17.16).

Из рис. 17.16 видно, что полный ток I в диэлектрике образует угол δ с вектором реактивного тока.

Тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ называется тангенс угла между полным током I и реактивным током Ir в диэлектрике. Это количественная характеристика потерь тепловой энергии в диэлектрике.

Во внешнем переменном электрическом поле с тангенс угла диэлектрических потерь будет составлять

где R – омическое сопротивление диэлектрика; С – электроемкость (см. рис. 17.7).

Для сегнетоэлектриков тангенс угла диэлектрических потерь может быть вычислен как отношение потери энергии W1 электрического поля в единице объема диэлектрика за один цикл изменения переменного электрического поля Е к максимальной плотности энергии электрического поля в диэлектрике W0

tg W1 .

W0

55

электрический эффект невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства могут наблюдаться в кристаллах 20 кристаллографических классов.

Рассмотрим возникновение пьезоэлектрического эффекта на примере кристалла кварца.

заряды. Поскольку структура кристалла по разным направлениям внутри него различна, то приложение механических напряжений по разным направлениям будет вызывать различные значения поляризации. Следовательно,

57

ческого поля в сегнетокерамике сохраняется устойчивая остаточная поляризация, что является причиной появления пьезоэффекта. Поляризованную сегнетокерамику называют пьезокерамикой.

Таким образом, всякая пьезокерамика является сегнетоэлект-

риком, но не всякий сегнетоэлектрик являетя пьезоэлектриком. Пьезоэлектриком будет только тот сегнетоэлектрик, который обладает анизотропными свойствами.

Из пьезокерамики можно изготовить пьезоэлементы практически любой формы с возможностью возбуждения в них различных видов акустических колебаний (продольных, поперечных, изгибных). К основным видам промышленных пьезокерамических материалов относятся материалы на основе титаната бария (ТБ) BaTiO3, а также материалы на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) состава Pb(Zr, Ti)O3, титаната бария, кальция и свинца (ТБКС) состава Pb(Ba, Ca)TiO3, ниобата бария-свинца (НБС) состава (Pb, Ba)Nb2O3 и многих других. Пьезокерамические материалы, как правило, являются сильными пьезоэлектриками и имеют коэффициент электромеханической связи от 0,2 до 0,5.

Пьезоэлектрики-полимеры представляют собой поляризованные в электрическом поле пленки полимеров, например, поливинилиденфторида. Пленки поляризуют после предварительной вытяжки на 300–400 %. При изготовлении пьезоэлементов на поверхность полимерной пленки методом металлизации наносят электроды.

Прямой пьезоэффект практически используется:

–впьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения;

–пьезозажигалках для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца;

–датчиках в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов;

–качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приемныхэлементов сонаров.

Существует и обратный пьезоэлектрический эффект – возникновение механических деформаций под действием электрического поля. При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектриче-

ского образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого те-

59