§ 21 Сегнетоэлектрики.

Этот класс веществ получил свое название от сегнетовой соли

NaKC₄H₄O₆·4H₂0. В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, из которых наиболее интересен для практического применения титанат бария BaTiO₃, используемый в качестве генератора и приемника ультразвука. Особенности сегнетоэлектриков: 1)  1 и 1,

2)нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля,

РИС.47 РИС.48 РИС.49

3)диэлектрическая проницаемость зависит от температуры.

Температуры, при которых диэлектрическая проницаемость имеет максимальные значения, называются точками Кюри. Как правило, сегнетоэлектрики имеют одну точку Кюри. Например, для титаната бария это температура вблизи 120 С⁰. Исключение составляет сегнетова соль, имеющая две точки Кюри +24 С⁰ и – 18 С⁰, а также изоморфные с нею соединения.

4)зависимость векторов поляризации и смещения от напряженности поля нелинейная.

5) наблюдается явление гистерезиса, т.е. запаздывания изменения поляризации и смещения по сравнению с изменением напряженности поля. Поляризованность достигает насыщения при некоторой напряженности поля. При уменьшении напряженности до нуля сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризацию, для снятия которой надо создать напряженность поля обратного направления и определенной величины, которая называется коэрцитивной силой (лат.coercitio – удерживаю). Если изменять напряженность поля далее, то кривая зависимости поляризации замыкается и образуется так называемая петля гистерезиса.

РИС.50 РИС.51

Сегнетоэлектрические свойства проявляют только монокристаллы, для которых характерна анизотропия. На рис.51 показана элементарная кристаллическая ячейка титаната бария.

При температуре выше точки Кюри кристаллическая решетка ячейки кубическая с симметричным распределением зарядов. При температуре ниже точки Кюри ион бария смещается в сторону одного из ионов кислорода, элементарная ячейка переходит в состояние тетрагональной симметрии, при котором симметрия распределения зарядов нарушается и ячейка становится диполем.

Это явление называется полиморфизмом, а точка Кюри представляет собой температуру, при которой происходит фазовый переход второго рода.

Сильное взаимодействие между ионами соседних ячеек вызывает согласованное смещение ионов титана в одном направлении, что приводит к образованию домена – макроскопической области спонтанной поляризации.

Размеры доменов порядка 10^-4-10^-3 мм и их можно наблюдать в поляризованном свете или при травлении поверхности сегнетоэлектрика кислотой.

В классической физике образование доменов объясняется меньшей энергией взаимодействующих диполей при таком расположении. В квантовой физике – обобществлением электронов в результате действия обменных сил.

Образование доменов возможно при условии, что энергия теплового движения не превышает энергию электрического взаимодействия. Размеры доменов определяются минимальной величиной полной энергии.

В отсутствии внешнего поля дипольные моменты доменов ориентированы хаотически и результирующая поляризация всего сегнетоэлектрика равна нулю.

РИС.52 РИС.53

При помещении сегнетоэлектрика во внешнее поле вектор поляризации определяется суммой спонтанной и индуцированной поляризации: . В слабых полях и

, а следовательно как характерно для несегнетоэлектриков.

При увеличении напряженности поля модуль вектора поляризации нелинейно возрастает (что обусловлено ростом энергетически более выгодных доменов за счет других), но лишь до максимального значения – поляризации насыщения. При этих условиях все домены преимущественно ориентированы по внешнему полю и поэтому при дальнейшем возрастании напряженности значение поляризации остается неизменным.

Если напряженность поля уменьшается, то поляризация также уменьшается, но ее изменение несколько «запаздывает» по сравнению с изменением напряженности, и при напряженности поля равной нулю поляризация сегнетоэлектрика не равна нулю.

Наличие остаточной поляризации Р_ост означает, что диэлектрик поляризован в отсутствии внешнего поля, т.е. как бы «запомнил» состояние поляризованности во внешнем поле.

Р_ост<Р_нас потому, что обусловлена поляризацией лишь тех доменов, для которых энергия дипольного взаимодействия больше энергии хаотического движения при данной температуре.

При ориентации доменов во внешнем поле энергия выделяется, поэтому для разориентации доменов также необходима энергия.

При изменении направления поля на противоположное поляризация уменьшается до нуля при Е=Е_с. Коэрцитивная сила – напряженность электрического поля, при которой поляризация диэлектрика равна нулю.

На практике доступнее наблюдение петли гистерезиса для величины вектора смещения, представленной на рисунке 53

Площадь петли гистерезиса равна работе на переполяризацию.

Как уже обсуждалось, для сегнетоэлектриков характерно наличие точек Кюри, т.е. температур, при которых резко изменяется диэлектрическая проницаемость. Следовательно, снять остаточную поляризацию также можно повышением температуры

САМОСТ.VII: 1.Пьезоэлектрики, электрострикция. 2.Пироэлектрики.

3.Антисегнетоэлектрики.