5. Спонтанная поляризация.

Особые свойства сегнетоэлектриков обусловлены тем, что в ограниченном интервале температур они состоят из множества микроскопических областей – доменов, которые самопроизвольно поляризованы до насыщения.

Рассмотрим очень упрощенно, как возникают домены, на примере титаната бария ВаTiО₃. При высоких температурах (Т>398К) титанат бария имеет кубичекую решетку, изображенную на рис. 13.

Ионы Ва⁺⁺находятся в вершинах куба, ионы кислорода О^--– в центрах граней куба, а ион титана Тi⁺⁴– в центре куба. Ион Тi⁺⁴имеет небольшие размеры. В элементарной ячейке расстояние между центрами ионов кислорода и титана больше, чем сумма их радиусов. Поэтому ион титана под действием теплового движения может перемещаться между шестью ионами кислорода, которые его симметрично окружают.благодаря этой симметричности среднее положение иона титана совпадает с центром симметрии и электрический момент каждой элементарной ячейки равен нулю.

При охлаждении кристалла ВаTiО₃до Т = 398373К тепловое движение становится менее интенсивным и это приводит к тому, что ион титана смещается к какому-то одному из шести ионов кислорода. Система ион кислорода – ион титана – ион кислорода (рис. 13) становится несимметричной и приобретает электрический момент.

Вэлементарных ячейках, находящихся в каком-то небольшом объеме, смещение происходит в одну сторону, моменты всех ячеек складываются и в результате возникают самопроизвольно наэлектризованная область – домен. Кристалл разбивается на домены так, что в каждом соседнем домене ориентация электрических моментов различна, и кристалл в целом дипольным моментом не обладает. На рис. 14 условно изображена доменная структура сегнетоэлектрика, а на рис. 15 – шкала температур, на которой отмечена точка Кюри для ВаTiО₃.

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит ориентация дипольных моментов в направлении поля , а также смещение границ доменов. Домены, имеющие более выгодную ориентацию относительно(угол междуибольше 90) (рис. 16б)

При дальнейшем увеличении происходит поворот доменов в направлении поля до тех пор, пока поляризованность не достигнет насыщения. При уменьшении напряженности внешнего поля происходит постепенная дезориентация доменов. Однако даже в отсутствие внешнего поля часть дипольных моментов остается ориентированной. Этим объясняется существование остаточной поляризованности Р_r.

При температурах Т_кдомены разрушаются, сегнетоэлектрик утрачивает свои особые свойства.

У всех сегнетоэлектриков, находящихся в переменном электрическом поле имеются диэлектрические потери.Диэлектрическими потерями называют ту часть энергии переменного электрического поля, которая преобразуется в теплоту. Диэлектрические потери обусловлены процессом переполяризации (переориентации его доменов). Для количественной характеристики этих потерь используется тангенс угла диэлектрических потерь

, (1)

где ₁– потери энергии переменного электрического поля на гистерезис в единице объема сегнетоэлектрика за один период;₀– максимальная плотность энергии электрического поля в кристалле сегнетоэлектрика.

Так как объемная плотность энергии электрического поля равна

то при увеличении напряженности поля на dEобъемна плотность энергии изменится на

за один период изменения напряженности электрического поля потери энергии равны

(2)

Максимальная плотность энергии электрического поля в кристалле равна

где Е₀иD₀– амплитуды напряженности и индукции электрического поля.

С учетом (2) и (3) выражение (1) принимает вид:

.