12.5. Нелінійні діелектрики

Розглянуті раніше діелектричні речовини належали до класу лінійних діелектриків, тобто таких, у яких поляризованість P лінійно залежить від напруженості E. Більш складними (але й більше цікавими й практично цінними) є нелінійні діелектрики, у яких аналогічна залежність нелінійна.

Розглянемо основні типи нелінійних діелектриків.

12.5.1. Сегнетоелектрики

До сегнотоелектриків належать деякі кристалічні речовини, у яких за відсутності зовнішнього електричного поля виникає самочинна (спонтанна) орієнтація дипольних моментів окремих молекул, що перебувають у вузлах кристалічної гратки.

Сегнетоелектрики мають доменну структуру. Домен являє собою мікроскопічну область, усередині якої дипольні моменти молекул орієнтовані паралельно один одному. За відсутності зовнішнього електростатичного поля домени як ціле орієнтовані довільним чином. У

Рис. 12.7

зовнішньому електростатичному полі відбувається поворот орієнтації доменів у напрямку зовнішнього поля й поляризованість швидко зростає до стану насичення P_н (рис. 12.7, а), після чого подальший ріст поляризованості припиняється. Аналогічно змінюється й вектор електричного зміщення з тією лише різницею, що при досягненні E_н вектор зміщення не залишається сталим, а повільно зростає (рис. 12.7, б).

Для лінійних діелектриків діелектрична проникність визначається співвідношенням і не залежить від E. Для нелінійних діелектриків і є функцією від напруженості поля E (рис. 12.7, в).

Коли відбуваються зміни напрямку напруженості поля E поляризованість P не встигає за ними і відбувається відставання P від E. Це явище називають гістерезисом. Якщо вихідний сегнетоелектрик не був поляризований, то зі зростанням E його поляризованість зростає по кривій OA (рис. 12.8), а при зменшенні E поляризованість спадає по кривій AB, залишаючись більшою попередніх значень. При E=0 зберігається деяке значення залишкової поляризованості P₀ (точка B на рис. 12.8). Щоб усунути залишкову поляризованість, необхідно прикласти у зворотному напрямку деяке значення напруженості поля E_c, яку називають коерцитивною силою. При подальших змінах напруженості поля крива P(E) замикається, утворюючи петлю гістерезису.

Рис. 12.8

Незвичайні властивості сегнетоелектриків спостерігаються лише в деякому інтервалі температур. При температурах TT_k, де T_k – температура Кюрі, відбувається руйнування доменів і сегнетоелектрик перетворюється у звичайний полярний діелектрик.

Сегнетоелектрики знаходять практичне застосування в постійних конденсаторах (велика ємність при малих габаритних розмірах) і конденсаторах, ємність яких управляється прикладеною напругою (варіконди).

12.5.2. Електрети

Особливим класом нелінійних діелектриків є електрети, властивості яких були передбачені наприкінці XIX в. Хевісайдом, а експериментально

виявлені Єгучі 1922  року.

Електрети виготовляються із в’язких полярних рідин (смоли, полімери), які в рідкому стані поляризуються сильним зовнішнім полем, а потім при охолодженні переходять у твердий «склоподібний» стан. При знятті зовнішнього поля розорієнтації полярних молекул не відбувається внаслідок високої в'язкості речовини. Брусок електрета залишається поляризованим за відсутності зовнішнього поля й може створювати в навколишньому просторі електричне поле.

Електрети використаються в мікрофонах звуковідтворюючих пристроїв, у лічильниках мікрочастинок, для створення прискорювальних полів та в електрофотографії.