ФпЭ-03

- з -

Лабораторная работа ФПЭ-О2

Сегнетоэлектрики

2.1. Цель работы.

напряженности электрического поля, определение диэлектрических

потерь в сегнетоэлектриках.

2.2. Теоретические основы работы.

СегнетозлеRТPИКИ представляют собой группу ионных

кристаллических диэлектриков, обладающих в отсутствие внешнего

электрического лоля в определенном интервале температур

спонтанной(самоnpоизвольной)поляризацие~

Известно, что молекула диэлектрика при поляризации

превращается в элеftТPический ДИПОЛЬ, об.:1адающий электрическим (ДИЛОЛЬНЫМ) моментом: -Р; =q....l. (2.1)

где q - величина суммарного заряда ОДНОГО знака в молекуле (заряда

Степень поляри3ац;t"и диэлектрика характеризуется вектором

поляризованности Р, равным электрическому моменту единицы

объёма диэлектрика:

диэлектрика вhttp://wwwфизически бесконечно.mitht.ru/eмалом-libraryобъёме '-\ V.

- 5 -

внешш'О подя. (спонтанная ПО~lяризация). Такие кристал.пы

называются по.лярными.

Утретьего типа диэлектриков центры положительных и

отрицательных зарядов совпадают, но распределение зарядов

каждого знака не является центросимметричным, вследствие чего

возможны гюллрные направления. Однако, геометрическая сумма

всех ДИПОдьных моментов равна нулю. Такие кристаллы называются

полярrю-"еЙтральными.

IIримером полярных диэлектриков ЯВ..:tЯЮТсн сегнетоэлектрики -

веЩества, у которых ориентация электрических моментов R ОДНОМ

направлении в отсутс'Гвис внешнего поля в определенном

температурном ИНТf'рва~.,е ПРИВОДИТ к образованию доменов (обдастей

спонтанной по..'1яризации). Каждый домен поляризован ДО

насыщения. Линейные размеры Доменов не нревышают 10-6 М. В

отсутствие внешнеI'U электрического поля в соседних доменах

направления спонтанной по.пяризации составляют случайные углы

друг с другом, так что геометрическая сумма электрических

моментов всего кристаЛ..'1а равна нулю (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Области самопроизво.iЬНОЙ по."'"!яризации в

сегнеТО3:Iектриках и направление в них вектора поляризации: а -

еегнетоэлектрv.к в целом неполяризован; б - поляризован.

Т(!мпературныс интервалы. в которых наблюдается спонтанная

пu.пяризация, называются полярными интервалами; на их границах

ссгнстоалсктрики испытывают фазовые превращения, переходя в новые кристалличР.екие модификации, где спонтанная. поляризация

не наблюдается. Кристаллическая модификация, в которой сегнетоэлектрикhttp://wwwIIОЛЯРИЗ0ван.mitht. называется.ru/e-libraryполярной фазой, а

- б -

модификация, в которой поляризации нет, неrюл.ярноЙ фазой.

Температура. при которой происходит фазовый переход, называется

точкой Кюри. Изменение СВОЙСТВ при переходе через эту точку

является с.."Iедствием и;зменения кристаллической структуры

сегнетоэлектрика. Так в титанате бария ВаТiОз выше ТQ[IКИ Кюри

существует кубическая решетка, ниже - тетрагональная.

Под В.пи.янием внешнего электрического поля в многодоменном криС'Га.:1~'IС происходит rzереориентация: ПОЛЯРИЗ0ванности (рис.2.1) и

изменение её величины, что ведет к ПОRв..1.~ИИЮ И росту суммарной

средний индуцированный электрический момент единицы объема,

обусловленный поляризацией ионного смещения и СМ~Iцения

эдектронных оболочек и пропорциона..ilЬНъrЙ в слабых полях

напряженности электрического лоля, Реп - электрический момент

спонтанной пол~изации.

~ Векторы Е и Ринд имеют одинаковое направление. а вектор

рСП В об~м случае имеет другое напрвление. В том случа(~, когд.!.

векторы ринд И рсп пропорциона..1'Il:JНЫ вектору напряженности Е

Следствием существования спонтанной поляризации в

сегнетоэлектрикахhttp://wwwявляется.mithtналичие.ru/eу-libraryних СВОЙСТВ. аналогичных

- 7 -

свойствам ферромагнетиков и отличающих их от остальных

диэлектриков.

Во-первых, большие значения диэлектрической проницаемости

& ( - 103 - 10. ) ДЛЯ не"оторого интервала температур. Например при

температуре - 20 о С ДИЭ..1ектрическая проницаемость сегнетовой

соли NaKCJi,06 4Н2О достигает величины порядка 10'.

Ба-вторых, характерная кривая зависимости диэлектрической проницаемости от температуры с резким ЛИКОМ в точке Кюри.

Резкий рост Е С приближением к точке Кюри объясняется тем, ЧТО чем ближе точка Кюри, тем легче происходит смещение ионов,

вызывающее рост спонтанной поляризации. Переход

сегнетоэлектрика при достижении точки Кюри в неполярную фазу

ПРИВОДИТ к уменьшению Е.

д.,я титаната бария ВаТiOз точка Кюри равна 120 о С. Некоторые сегнетоэлектрики имеют Две точки Кюри (верхнюю и

нижнюю) и ведут себя как сегнетоэлектрики лишь в температурном интервале, ограниченном точками Кюри. Так сегнетовая соль имеет две точки Кюри: Т. = - 18 о С и ТВ = + 24 о С (рис. 2.2).

В-третьих, нелинейная зависимоть величины пол.яризованности

{О

Рис. 2.2. Температурная зависимость диэлектрической

проницаемостиhttp://wwwмонокристалла.mitht.ru/e-libraryсегнетовой соли.

- 9 -

Р

А в

-Е.

Е. Е

;;о с

Рис. 2.5. диэлектрический гистерезис в сеГllетоэлектриках.

ПЩIяризuванность Р вперваначальна неПОЛЯРИЗ0ванном образце меняется ПО кривой ОА (кривая основной поляризации), достигая

насыIспияя в точкс- А При ЭТОМ в многодоменном кристалле

происходи.т переориентация спонтанной ПOJIяризации. ЭтОТ процесс происходит слеДУЮl1.tИМ образом: наиболее ВЫГОДНО ориентированные

домены, то есть те, поляризованность которых составляет острый

угод с внешним полем Е, растут за счет доменов, у которых этот

угол боле 90°; кроме того, электрические моменты доменов

поворачиваются в направлении поля, а также одновременно

происходит образование и рост зародышей новых доменов,

электрические моменты которых направлены по полю.

Перестройка доменной структуры, npoисходящая при действии

увеличивающегося внешнего электрического поля, ведет к росту

суммарной поляризованности кристалла. Однако ВК.,."Iад в нее,

ПОМИМО спонтанной поляризации, вносит индуцированная

поляризация электронного и ионного смещения (участок ОЛ рис.2.5). При некоторой напряженности поля Ео (точка А) кристалл

становится однодоменным с напраВ.i1ением СI10нтанной ПО~1.ярv.:зации, ~шраЛ~lельным лплю. это СОС1'ояние называется насыщением.

Вобщем СJlучае спонтанная и индуцированная поляризации

являются нелинейными ФУНКЦИЯМИ напряженности поля Е. Однако

в области не очень сильных подей индуцированная поляризация

- 10 -

отрезок РепО - спонтанной поляризации Рсп' Действительно, при

насыщении можно считать, что ориентация вектора спонтанной

поляризации Рсп В доменах закончена и дал~нейший линейный рост

поляризации с увеличением напряженности поля осуществляется за

счет возростания индуцированной поляризации. Поскольку она

линейно зависит от напряженности поля, 1'0 экстрапu.."IЯЦИЯ ветви

напряжения до оси Р дает отрезок РОРсл соответствующий

индуцированной поляризации.

ПОЛSlpизоваlПЮСТИ. Для снятия ее к сегнетоэлектрику необходимо ПрИЛОЖИTh противоположное по знаку поле напряженностью Ек,

называемое КОЭРЦИТИВНОЙ силой.

Если при максимальной напряженности поля Е пасыu~ение не

достигнуто, то получается петля, лежащая внутри максима..1ЬНОЙ

пет.."IИ гистерезиса и называемая частным ЦИКЛОМ. Частных циклов

может существовать бесконечное множество, при этом максимальные значения Р частных цик.лОВ всегда лежат на основной кривой

поляризации ОА (nyнктирнал кривая рис. 2.5). Когда же состОяние

насыщения достигнуто, то получается петля гистерезиса, называемая

петлей предельного ЦИl<Jlа (сплошная линия рис. 2.5).

Гистерезис можно наблюдать, если подводить к образцу из

электрической энергии, которая при переменнам напряжении в

диэлектрике переходит в тепло, называют диэлектрическими

потерями. Диэлектрические потери в сегнетоэлектрике обычно

принято характеризовать тангенсом угла диэлектрических потерь,

КОТОРЫЙ выражается с.."Iедующим образом: