6.12. Нелінійні діелектрики

*Піроелектрики (від грецького руr - вогонь) - кристалічні діелектрики, яким притаманна спонтанна поляризація, тоб­то поляризація за відсутності впливу зовнішніх чинників.

*За зміни температури величина спонтанної поляризації змінюється і спричинює появу електричного поля. Це явище називається піроелектричним ефектом (піроелектрикою).

Зміна спонтанної поляризованості з температурою зумовлена двома причинами. Підвищення температури порушує впорядко­ваність у розміщенні елементарних дипольних моментів (первин­ний піроефект), з одного боку, а з іншого - нагрівання викликає зміну лінійних розмірів діелектрика і п'єзоелектричну поляриза­цію внаслідок деформації (вторинний піроефект).

Піроелектричні властивості має низка лінійних діелектриків: сульфат літію, турмалін та ін. У турмаліні при зміні температури на 1°С виникає поле Е≈400 в/см. Зміна спонтанної поляризації і виникнення електричного поля в піроелектриках може відбувати­ся не тільки за зміни температури, але й при деформації. Тому всі піроелектрики є і п'єзоелектрнками, але не навпаки.

До окремої групи піроелектриків належать сегнетоелектри­ки. За нагрівання сегнетоелектрика до певної температури в ньо­му зникає спонтанна поляризація і кристал переходить в непірое-лектричний стан.

Існує також ефект протилежний піроелектричному: в електри­чному полі змінюється поляризація піроелектрика і нагрівання або охолодження кристала прямо пропорційне напруженості елект­ричного поля: ∆Т~Е. Це явище названо елекпгрокалоричним ефек­том. Існує також і квадратичний електрокалоричний ефект.

Піроелектрики широко застосовують у піроелектричних при­ймачах, які належать до класу теплових приймачів випроміню­вання, дія яких ґрунтується на температурній залежності спон­танної поляризації пір о електриків. Піроелектричні приймачі ви­користовуються для вивчення швидкоплинних теплових проце­сів, у дистанційних датчиках температури, приладах теплобачення тощо.

* П'єзоелектрика (від грецького piezo - тисну і електрика) -виникнення поляризації діелектрика (рис. 6. 7, а, б) під дією механічних напружень (прямий п'єзоелектричний ефект) і виникнення механічної деформації (рис.6.7, б) під дією елек­тричного поля (зворотний п'єзоелектричний ефект).

Як прямий, так і зворотний п'єзоелектричний ефекти спостері­гаються в одних і тих же кристалах п'єзоелектрика.

П'єзоелектричні властивості мають всі піроелектрики (спон­танно поляризовані діелектрики), в яких під дією механічної де­формації змінюється величина їх спонтанної поляризації (прямий п'єзоелектричний ефект).

П'єзоелектричні матеріали - кристалічні речовини з добре ви­раженими п'єзоелектричними властивостями. П'єзоелектрики широко використовують у техніці, акустиці, радіофізиці для пе­ретворення електричних сигналів у механічні і навпаки. З них ви­готовляють резонатори, випромінювачі і приймачі звуку, фільт­ри, п'єзоелектричні датчики та ін. П'єзоелектричні датчики засто­совуються для вимірювання швидкозмінного тиску. Датчик зда­тний сприймати коливання тиску з частотою від десятків Гц до десятків МГц і застосовується за тензометричних вимірювань у вагових і сортувальних (за вагою) пристроях, за вимірювання ві­брацій, деформацій тощо. П'єзоелектричні матеріали поділяють на > природні і > штучно вирощені монокристали (кварц, сегне­това сіль, ніобат літію та ін.) і > полікристалічні сегнетоелектричні тверді розчини, які після синтезу поляризують в електрич-

ному полі (п'єзокераміка). Із п'єзоелектричних матеріалів першої групи застосовується тільки кварц (має високотемпературну ста­більність, механічну міцність, малі діелектричні втрати, високу вологостійкість). Його недолік - порівняно слабкий п'єзоефект, складність обробки та ін. Використовується головним чином в п'єзоелектричних фільтрах і стабілізаторах частоти.

Найбільш вживаним п'єзоелектричним промисловим матеріа­лом є п'єзоелектрична кераміка, яку отримують методами кера­мічної технології із сегнетоелектричних з'єднань. У процесі ви­готовлення п'єзоелектричної кераміки на неї діють зовнішнім еле­ктричним полем, яке викликає орієнтацію сегнетоелектричних до­менів і залишкову поляризацію. Вироби з п'єзоелектричної кера­міки відливають під тиском з шлікерної маси або пресують з по­рошків і відпалюють при 1200 - 1350 °С. П'єзоелектрична керамі­ка застосовується для виготовлення випромінювачів та прийма­чів ультразвуку, генераторів високої напруги тощо.

* Сегнетоелектрики ~ кристалічні діелектрики, які в певно­му інтервалі температур мають спонтанну (самовільну) поляризацію, яка суттєво змінюється за зовнішніх впливів.

Сегнетоелектрики по суті є різновидністю піроелектриків. Най­краще досліджені і найбільш широко використовуються на прак­тиці титанат барію, сегнетова сіль та ін. (табл. 6.4). Відомо кіль­ка сотень сегнетоелектриків.

Таблиця 6.4 Основні сегнето електричні матеріали

Кристали сегнетової солі мають високі значення характерис­тик, які визначають чутливість приймача звуку. Однак низька

вологостійкість, мала механічна міцність, а також сильна залеж­ність властивостей від температури (через низьке значення тем­ператури Кюрі і Т =55 °С) і напруженості електричного поля об­межують застосування сегнетової солі. Ніобат літію, силікоселеніт і германоселеніт поряд з дуже вираженим п'єзоефектом, висо­кою механічною міцністю мають високу акустичну добротність і застосовуються в області гіперзвукових частот.

В сегнетоелектриках спостерігається велика різноманітність специфічних ефектів. Для інших пір о електриків зміна напряму поляризації утруднена, оскільки потребується корінна перебудо­ва структури кристала. Електричне поле, за якого можлива така перебудова в піроелектриках, набагато більше пробивної напру­ги. На відміну від інших піроелектриків, спонтанна поляризація сегнетоелектриків зв'язана з незначним зміщенням іонів стосовно їх положень у неполяризованому кристалі.

* Звичайно сегнетоелектрики, поляризовані неоднорідно, складаються з доменів - областей з різним напрямом спон­танної поляризації, тому за відсутності дії зовнішніх чин­ників їх сумарний дипольний момент практично дорівнює нулеві.

Домени суттєво впливають на властивості сегнетоелектриків. В електричному полі границі доменів зміщуються таким чином, що об'єми поляризованих в полі доменів зростають за рахунок об'ємів доменів, поляризованих проти поля. Межі доменів закріп­лені на дефектах і неоднорідностях кристалів і для їх переміщення необхідна дія сильного елект­ричного поля, в якому матері­ал може повністю поляризува­тися та стати однодоменним. Відповідний зразок тривалий час після виключення поля збе­рігає поляризованість і необхід­не достатньо сильне електрич­не поле протилежного напряму, достатнє щоб сумарні об'єми доменів протилежного знака

зрівнялись. Залежність поляризації зразка від напруженості елект­ричного поля нелінійна і має вигляд петлі гістерезису (рис. 6.8).

Діелектрична проникність є багатодоменного зразка більша від однодоменного, тому що за дії електричного поля відбувається зміщення доменних меж і сильна зміна поляризації. Значення є тим більше, чим слабше закріплені доменні межі на дефектах і поверх­ні кристала. Величина є суттєво залежить від напруженості елек­тричного поля, тобто сегнетоелектрикам притаманні нелінійні властивості.

Спонтанна поляризація сегнетоелектриків за нагріву, як пра­вило, зникає при температурі Тс, названій точкою Кюрі, тобто відбувається фазовий перехід сегнетоелектрика зі спонтанно по­ляризованого стану (полярна фаза) в неполяризований стан, в якому спонтанна поляризація відсутня (неполярна фаза). Фазо­вий перехід сегнетоелектрика зводиться до перебудови струк­тури кристала.

Сегнетоелектричні матеріали (монокристали, кераміка, плів­ки) широко використовуються в техніці. Завдячуючи великим значенням є, їх використовують як матеріали для конденсаторів високої питомої ємності. Сегнетоелектрикам притаманні високі значення п'єзоелектричних констант. Тому вони застосовують­ся як п'єзоелектричні матеріали в приймачах і випромінювачах ультразвуку, у перетворювачах звукових сигналів в електричні і навпаки, у датчиках тиску. Різка зміна опору поблизу темпера­тури фазового переходу в деяких сегнетоелектриках використо­вується в позисторах - приладах для контролю і вимірювання температури. Сильну залежність  від температури сегнетоелек­трика використовують у нелінійних конденсаторах (варисторах).

* Електрети - діелектрики, які тривалий час (роками) збе­рігають поляризований стан після набуття його під дією сильного постійного електричного поля і відключення цього поля.

Електрети створюють у навколишньому просторі електричне поле і формально є аналогами постійних магнітів. Електрети отри­мують шляхом розплавлення речовин, молекули яких мають по­стійний дипольний момент. Під дією поля ці молекули частково

орієнтуються (рис 6.9, а) за полем. При охолодженні розплаву до затвердіння і виключення електричного поля поворот дипольних молекул утруднений і вони тривалий час зберігають набуту під дією поля орієнтацію (рис. 6.9, б).

Майже всі відомі діелектрики можна перевести в електретний стан. Стабільні електрети отримують з воску і смол, поліме­рів (поліметилметакрилату, полівінілхлориду, політетрафторети-лену та ін.), неорганічних полікристалічних діелектриків (стеати­ту, фарфору та ін.), склів, ситалів. Застосовуються електрети як джерела постійного електричного поля.

6.13. Фізико-хімічніімеханічні властивості діелектриків

Гідрофільні матеріали. Електроізоляційні матеріали за здатні­стю до фізико-хімічної взаємодії з водою і змочування та гідрата­ції поділяють на >гідрофільні і >гідрофобні. Гідрофільні матері­али за одночасного контакту з водою і неполярною, нерозчинною у воді речовиною (вуглеводнем), вибірково змочуються водою, а гідрофобні матеріали, навпаки, - вибірково вуглеводнем.

До гідрофільних належать матеріали з іонними кристалічними ґратками (оксиди, силікати, глини та ін.) скла, а до гідрофобних -неполярні матеріали (сірка, графіт, парафін, воски, бітуми, полі­мери та ін.).

*Здатність матеріалів змочуватися водою чи іншою ріди­ною, характеризується крайовим кутом змочування θ.

Я кщо на поверхню твердого гід­рофільного тіла помістити краплю води, то сила поверхневого натягу σ₁₃ (рис. 6.10) на межі тверде тіло - пові­тря більша суми сил: поверхневого натягу σ ₁₂ на межі тверде тіло - ріди­на і проекції на горизонтальну пло­щину сили поверхневого натягу σ ₂₃ • cosθ. Крапля буде розтікатись по по­верхні тіла, поки не настане рівність σ ₁₃ = σ ₁₂ + σ ₂₃ - cosθ. Якщо ж (σ ₁₃ > σ ₁₂ + σ ₂₃ то рівновага не настає і рідина розтікається по по­верхні твердого тіла аж до утворення мономолекулярного шару, тобто має місце абсолютне змочування твердого тіла. Тоді кра­йовий кут в дорівнює нулю. За неповного змочування кут в гост­рий. За наявності в гідрофільному матеріалі капіляра (рис. 6.11), рідина у капілярі ввігнута і вертикальні складові сил молекуляр­ного притягання спрямовані вверх. Тиск з боку поверхні рідини назовні (вверх) перевищує атмосферний тиск на величину ,

де R - радіус кривизни меніска.

З рис. 6.11 видно, що радіус кривизни меніска , де r -

радіус капіляра.

Тиск з боку поверхні рідини на зовні перевищує атмосферний

т иск на величину

Цей додатковий тиск спричинює підняття рідини в капілярі до врівноваження тиску ввігнутої поверхні з гідростатичним тиском під­нятого стовпчика рідини.

Умова рівноваги

де ρ - питома вага рідини, h- висота підняття рідини.