9.2.2 О пьезоэффекте и сегнетоэлектричестве

У подавляющего большинства веществ, не проводящих электрический ток, диэлектрическая восприимчивость  не слишком велика и является постоянной величиной. Однако, нужно помнить, что она отражает свойства молекул вещества откликаться на воздействие внешнего электрического поля и поэтому может зависеть от величины (в случае электростатического поля), а также от его частоты и амплитуды (в случае переменного поля).

К поляризации диэлектрика могут привести и другие внешние воздействия, например, – механическое сжатие или растяжение (явление электрострикции и пьезоэффект), его нагрев (пироэлектрический эффект). Пример, иллюстрирующий влияние растяжения на фрагмент кристаллической решётки, представлен на рис. 9.9: если в обычном состоянии центры систем положительных отрицательных зарядов совпадали, и электрический дипольный момент системы был равен нулю, то деформация приводит к смещению атомов и появлению у данного фрагмента некоторого , тем большего, чем сильнее деформация. Возможен и обратный пьезоэффект, при котором под действием электрического поля происходит механическая деформация образца (например, – кристалла кварца). Явление находит применение в устройствах, преобразующих механическое воздействие в электрический сигнал, например, – в микрофонах, датчиках, используемых при испытаниях на прочность деталей различных машин. Преобразование электрического сигнала в механическую деформацию позволяет создавать, например, миниатюрные наушники для плееров.

Между соседними молекулами диэлектрика может существовать настолько сильное взаимодействие, что все электрические диполи в пределах области, объединяющей сотни тысяч молекул, оказываются ориентированными в одном направлении. Такие области называются доменами; кривая зависимости у таких веществ имеет вид петли. Данные материалы (сегнетова соль KNaC₄H₄O₆·4H₂O, титанат бария BaTiO₃ и др.) называются сегнетоэлектриками (или ферроэлектриками), их поведение в электрическом поле во многом аналогично поведению в магнитном поле ферромагнетиков, о которых мы будем говорить позднее в разделе «Магнитные свойства вещества».

Некоторые примеры

• Электрический дипольный момент молекулы HCl равен 3,510^30 Клм; у молекулы воды p_e  6,210^30 Клм.

• Кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину на 2,3×10^7 мм.

Вопросы для повторения

1. Сформулируйте теорему Гаусса для электрического поля в вакууме; запишите соответствующую формулу и поясните смысл входящих в формулу величин.

2. Продемонстрируйте, как применяется теорема Гаусса для вычисления напряженности электрического поля, создаваемого прямой, тонкой, бесконечной, равномерно заряженной нитью.

3. Продемонстрируйте, как применяется теорема Гаусса для вычисления напряженности электрического поля, создаваемого равномерно заряженной плоскостью.

4. Выведите формулу для вычисления напряженности электрического поля, создаваемого двумя параллельными равномерно и при этом разноимённо заряженными плоскостями.

5. Что называется полярными и неполярными диэлектриками? Как молекулы этих диэлектриков ведут себя в электрическом поле?

6. Что называется поляризованностью вещества? В каких единицах поляризованность измеряется в СИ?

7. Какова связь поляризованности диэлектрика с напряжённостью внешнего электрического поля?