§ 24. Сегнетоэлектрики

Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков – сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от +Е до –Е возникает петля гистерезиса (рис. 20). Когда напряженность поля возрастает, поляризация достигает

Рис. 20. Зависимость поляризации Р (а) и диэлектрической проницаемости  (б) сегнетоэлектрика от напряженности поля Е

насыщения; при этом  увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля Еc, при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда Еc<0,1 МВ/м, сегнетоэлектрик является мягким; когда Еc>>1 МВ/м, материал жесткий. Известно около 500 сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектриков, которые

используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение  достигается около точки Кюри.

Сегнетоэлектрики применяются для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; при изготовлении материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Недостатками сегнетокерамики являются сравнительно большие потери и невысокая электрическая прочность.

§ 25. Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики – вещества, у которых под действием механических напряжений возникает поляризация (прямой пьезоэффект) и под действием электрического поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект).

К пьезоэлектрикам относятся поляризованные сегнетоэлектрики с остаточной поляризацией, а также кристаллы, не имеющие центра симметрии. В основе пьезоэффекта лежит смещение ионов в кристаллической решетке при упругой деформации. Пьезоэффект анизотропен и характеризуется пьезомодулем – зарядом, который появляется на поверхности пластин пьезоэлектрика под действием единичной силы. От пьезоэлектриков требуются высокие значения пьезомодуля и малые потери. Известно более 1000 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Однако практическое применение в пьезотехнике находят ограниченное количество материалов. Важное место среди них занимает монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной для получения высоких характеристик кристаллографической ориентацией.

Кварцевые резонаторы представляют собой полированные кварцевые пластинки с электродами и держателем, имеющими очень малый tg и высокую механическую добротность (малые механические потери). Механическая добротность обратна tg и может достигать значений 10⁶…10⁷. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представляет собой параллельный колебательный контур второго рода с очень низким сопротивлением потерь (рис. 21). Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами – возможность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиков давления, деформации, ускорения, вибрации, пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов, звукоснимателей (диапазон рабочих частот до 13000 Гц) и др.

Рис. 21. Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора: Ld – динамическая индуктивность резонатора; Сd – динамическая ёмкость резонатора; Rd – динамическое сопротивление резонатора; Cs – статическая ёмкость резонатора

Сравнительно новой областью примене-ния пьезоэлектриков являются пьезоэлектри-ческие двигатели. В таких двигателях отсутствуют обмотки, поэтому они применяются в радиотехнических устройствах, магнитофонах и в робототехнике. Основным элементом являются поляризованные керамические пластинки, колебания которых преобразуются во вращательное движение ротора. Мощность таких двигателей не превышает 10 Вт, однако их характеристики указывают на перспективность применения в современных электронных устройствах, системах автоматизации и бытовой технике.

19