2.3. Сегнетоэлектрики и их свойства

Сегнетоэлектрики - диэлектрики с необычными и интересными свойствами. Первоначально эти свойства были обнаружены у сегнетовой соли (). В настоящее время известно большое количество соединений, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. По практическому использованию наиболее распространенным является титанат бария ().

Назовем свойства сегнетоэлектриков.

1. В некотором температурном интервале диэлектрическая проницаемость достигает очень больших значений (ε=10⁴÷10⁵).

2. Зависимость поляризованности от напряженности электрического поля P(E) нелинейная.

3. Диэлектрическая проницаемость не является постоянной величиной и зависит от напряженности поля.

4. Наблюдается явление диэлектрического гистерезиса.

5. При нагревании сегнетоэлектрика выше определенной температуры T_k, различной для разных веществ, сегнетоэлектрические свойства исчезают, и образец превращается в обычный диэлектрик.

Рассмотрим поляризацию сегнетоэлектрика. Возьмем сегнетоэлектрик в форме пластинки и поместим его между обкладками конденсатора. Если образец первоначально не был поляризован, то при увеличении напряженности электрического поля поляризованность будет изменяться по кривой 01 (рис.2.6). При некотором значении напряженности поля поляризованность достигает насыщения. Кривая 01 называется основной кривой поляризации.

Если уменьшать напряженность поля, то поляризованность будет уменьшаться уже по кривой12.

При E=0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность P₀.

Чтобы уничтожить остаточную поляризацию нужно приложить электрическое поле обратного направления. Поляризованность сегнетоэлектрика обращается в нуль при некотором значении напряженности поля E_c. Значение E_c называется коэрцитивным полем.

При дальнейшем циклическом изменении электрического поля поляризованность будет изменяться в соответствии с петлеобразной кривой, изображенной на рис.2.6. Эта кривая называется петлей гистерезиса.

Причиной сегнетоэлектрических свойств кристаллов является существование в них областей самопроизвольной (спонтанной) поляризации, в которых возникает большой дипольный момент даже в отсутствие внешнего электрического поля. Эти области называются диэлектрическими доменами. Спонтанная поляризация в обычных условиях не проявляется, так как размеры доменов малы, а направление поляризованности в разных областях различно.

Сегнетоэлектрики имеют важные практические применения.

Материалы сложного состава, приготовленные на основе сегнетоэлектриков и имеющие высокую диэлектрическую проницаемость, используют при изготовлении миниатюрных конденсаторов большой емкости. Работа реального конденсатора, включенного в цепь переменного тока, сопровождается потерями энергии в диэлектрике. Можно показать, что мощность диэлектрических потерь пропорциональна площади петли гистерезиса. Поэтому в сегнетоконденсаторах используют материалы с узкой петлей гистерезиса.

В сегнетоэлектриках имеет место пьезоэлектрический эффект (см.2.4)

2.4. Пьезоэлектрический эффект

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют поляризацию кристаллических диэлектриков под действием механических напряжений. Это явление открыто братьями Кюри (1880 г.). Оно наблюдается в твердых анизотропных диэлектриках (кварц, турмалин) и в сегнетоэлектриках (сегнетова соль, титанат бария и других). Эти вещества называются пьезоэлектриками.

Сущность пьезоэлектрического эффекта заключается в том, что при деформации пластинки, вырезанной из пьезоэлектрика, на ее поверхностях возникают разноимённые поверхностные заряды. Если на поверхности пластинки нанести металлические обкладки (электроды), то на них образуются индуцированные заряды, равные по модулю поляризационным зарядам. Величина этих зарядов пропорциональна механическим деформациям:

.

В этом выражении

• - поверхностная плотность заряда,

• - относительная деформация,

• - пьезоэлектрический коэффициент или пьезомодуль.

Различают продольный и поперечный пьезоэлектрический эффект.

Продольный пьезоэффект состоит в том, что поляризационные заряды возникают на гранях, перпендикулярных направлению воздействия (рис.2.7).

Поперечный пьезоэффект состоит в том, что поляризационные заряды возникают на гранях, параллельных направлению воздействия (рис.2.8).

Появление зарядов на поверхности электродов сопровождается возникновением разности потенциалов: , где- величина заряда, возникающая при деформации,- электроемкость системы электроды – кристалл.

При замыкании электродов на некоторое сопротивление можно получить ток и превратить таким образом механическую работу в электрическую энергию. При воздействии на пьезопластинку механических сил переменного направления в электрической цепи будет протекать переменный электрический ток.

Пьезоэлектрический эффект - обратимое явление. Наряду с прямым в пьезоэлектриках существует обратный пьезоэлектрический эффект. Обратным пьезоэффектом называют изменение размеров пьезоэлектрика при его поляризации внешним электрическим полем.

Если к металлическими обкладкам, укреплённым на пьезопластинке, приложить переменное напряжение, то размеры пластинки будут изменяться в соответствии с величиной и направлением электрического поля.

Пьезоэлектрический эффект и пьезоэлектрики имеют большое практическое применение. Их используют в электромеханических преобразователях, пьезоэлектрических манометрах, излучателях и приемниках ультразвука, звукоснимателях, стабилизаторах и фильтрах радиотехнических частот.

Основная часть этих приборов - пьезопреобразователь, состоящий из пьезоэлементов. В зависимости от назначения используются различные виды деформации и различные формы пьезоэлементов.