40. Механізм виникнення спонтанної поляризації у сегнетоелектриках

Тепер розглянемо причини появи спонтанної поляризації на молекулярному рівні. Нехай є ланцюжок атомів, які здатні поляризуватися.П

рипустимо, що один з атомів перетворився на диполь. Поле диполя, направлене вздовж ланцюжка, перетворить на диполі сусідні атоми. Якщо тепер розглянути, як будуть ці сусідні атоми впливати полем своїх диполів на вихідний атом, то виявиться, що поля сусідів підсилюють його поляризацію. Таким чином, в ланцюжку існує позитивний зворотний зв’язок (положительная обратная связь) : чим більше вихідний дипольний момент, тим більше поле діє на сусідні атоми і їх поляризує. Ці атоми, в свою чергу, збільшують початковий дипольний момент і т.п. За рахунок цього зв’язку ланцюжок атомів може перетворитися в ланцюжок диполів, процес може відбуватися спонтанно, без зовнішнього поля. Однак, для цього зв’язок між атомами повинен бути достатньо сильним, інакше ми можемо наші міркування повторити в зворотному напрямку : взяти ланцюжок диполів, зменшити один з дипольних моментів і одержати в підсумку ланцюжок незаполяризованих атомів.

Під достатньо сильним зв’язком ми повинні розуміти визначене співвідношення між відстанню між атомами і їх поляризовністю . Диполі виникли завдяки спонтанній поляризації атомів з поляризовністю . Знайдемо поле , що діє на диполь з боку всіх сусідів. Ланцюжок будемо вважати нескінченим. Поле кожного диполя становить

,

отже, на його осі, де ,

.

Сума полів від усіх диполів дорівнює

На початку сума була подвоєна, оскільки підсумовування йде в обидва боки від виділеного диполя. Отриманий ряд збігається, і його сума дорівнює 1,2. Отже,

, або .

але , тому це той зв’язок, який ми шукали. Степенева залежність – досить сильна, тому можна вважати, що коли існує ланцюжок атомів, які можуть поляризуватись спонтанно, то поляризація виникає.

Кристал складається з системи таких атомних ланцюжків, тому можливий їх взаємний вплив один на одного.

41. П’єзоелектричний ефект

Прямий п’єзоелектричний ефект

Явище виникнення поляризації під впливом механічних навантажень називається прямим п’єзоелектричним ефектом, або просто п’єзоефектом. П’єзоефект належить до лінійних явищ, тобто індукована поляризація пропорційна величині відносної деформації кристала і тому пропорційна прикладеному зовнішньому механічному зусиллю. Лінійність ефекту означає чутливість його до знаку деформації. Зі зміною деформації, наприклад, із розтягування на стискання змінюється на протилежний напрямок вектора наведеної поляризації.

Для того, щоб наш кристал був п’єзоелектричним потрібно, щоб він не мав центра симетрії. Із 32 кристалографічних класів 21 не має центра симетрії, але лише в 20 спостерігається п’єзоелектричний ефект, у 21 відсутні полярні напрямки. Відсутність центра симетрії означає наявність однієї, або декількох полярних осей симетрії.

Будемо розглядати наш ефект на прикладі кристалів кварцу. При Т<200 С залежності від температури не спостерігається при Т<576 С спостерігається зменшення ефекту а при Т= 576 кристал проходить фазове перетворення и стає β модифікації і ефект перестає спостерігатися. Можна спостерігати як повздовжній ефект так і поперечний в залежності від того в якому напрямку проводити деформацію.

Обернений п’єзоелектричний ефект

Це явище отримаємо, помінявши причину з наслідком. Тобто при накладанні вздовж полярного напрямку зовнішнього електричного поля виникає деформація кристала. Обернений п’єзоефект теж належить до лінійних явищ, тобто знак деформації залежить від напрямку прикладеного поля відносно полярної осі. Необхідність даного являється наслідком прямого ефекту та законів термодинаміки.