общая (Материалы на тему диэлектриков. Шпоры, короче)

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ (от назв. сегнетовой соли по фамилии синтезировавшего ее П. Сеньета, P. Seignette), моно-или поликристаллич. полярные диэлектрики, обладающие в определенном интервале т-р спонтанной (самопроизвольной) поляризацией; разновидность пироэлектриков. Под действием внеш. электрич. поля, упругих напряжений или при изменении т-ры в сегнетоэлектрики меняются величина и направление спонтанной поляризации, мех., оптич. и теплофиз. св-ва.

Структура сегнетоэлектрики характеризуется наличием доменов-областей с однонаправленной поляризацией в пределах одного домена; суммарная поляризация образца при этом м.б. равна нулю. Доменная структура зависит от симметрии кристаллов и часто связана с природой и характером распределения их дефектов.

Действие внеш. электрич. поля высокой напряженности приводит к резкому возрастанию поляризации, обусловленному ориентацией доменов преим. по полю. Процесс ориентации обычно сопровождается изменением кристаллич. структуры сегнетоэлектрики, причем энергетич. барьер относительно невелик. Возрастание поляризации приводит к изменению величины диэлектрич. проницаемости , теплоемкости, коэф. термич. расширения и др. св-в сегнетоэлектрики Зависимость поляризации в сегнетоэлектрики от напряженности электрич. поля нелинейна и имеет вид петли гистерезиса.

При нагр. выше определенной т-ры, наз. Кюри точкой Т_к, спонтанная поляризация сегнетоэлектрики исчезает. В этой точке происходит сегнетоэлектрич. переход из полярной фазы в неполярную (параэлектрическую). В области Т_к температурная зависимость  достигает максимума, а величина остаточной поляризации Р₀ падает до нуля.

Сегнетоэлектрич. св-ва впервые были обнаружены у кристаллов сегнетовой соли-тетрагидрата тартрата калия-натрия KNaC₄H₄O₆·4H₂O, затем у дигидрофосфата калия КН₂РО₄. Известно неск. сотен С; св-ва наиб. широко применяемых приведены в таблице.

Пространственный заряд r = e SZ_in_i (n_i — концентрация, Z_i — заряд носителей сорта i, е — заряд электрона). Т. к. образование объёмной статически равновесной системы из свободных зарядов невозможно (см. Ирншоу теорема), появление Пространственный заряд обычно связано с прохождением электрического тока. Пространственный заряд возникают вблизи электродов при протекании тока через электролиты, на границе двух полупроводников с различной (электронной или дырочной) проводимостью, в вакууме в процессах электронной эмиссии и ионной эмиссии, в электрическом разряде в газах. Образованию Пространственный заряд способствует различие коэффициента диффузии D носителей заряда разных знаков. При движении электронов в вакууме с нулевой начальной скоростью на катоде плотность тока вследствие влияния Пространственный заряд меняется по т. н. закону трёх вторых (см. Ленгмюра формула). Решение аналогичной задачи для положительных ионов в газе зависит от характера движения ионов. Поля, создаваемые Пространственный заряд, определяют многие важные свойства газового разряда (развитие разряда во времени, образование стримеров и др.), явлений в плазме (плазменные колебания и волны) и в полупроводниках. Т. к. r есть алгебраическая сумма зарядов разных знаков, они могут частично или полностью компенсировать Пространственный заряд Примеры: плазма с почти равными концентрациями электронов и ионов и прикатодная область в дуговом разряде, где в результате такой компенсации катодное падение потенциала невелико и почти не зависит от тока.

Клаузиуса — Моссотти формула

(уравнение, закон), выражает зависимость статической диэлектрической проницаемости e неполярного диэлектрика от поляризуемости a его молекул, атомов или ионов и от их числа N в 1 см³ (если диэлектрик состоит из частиц одного сорта):

(1)

Часто К. записывают в виде

(2)

где М — молекулярная масса вещества, r — его плотность, N_A — Авогадро число. Правую часть (2) иногда называют молекулярной поляризацией.

К. — М. ф. строго выполняется для неполярных газов при низких (<200—500 мм рт. ст., или 26,6—66,5 кн/м²) и средних (от 500 мм рт. cm. до 5 атм, или 66,5— 500 кн/м²) давлениях; приближённо — для неполярных газов при повышенных (выше 5—10 атм, или 0,5—1 Мн/м²) давлениях, для неполярных жидкостей и для многих неполярных кристаллов.

Для видимого света (высокочастотное электрическое поле) диэлектрическая проницаемость равна квадрату показателя преломления: e = n². В таких полях связь между e и электронной поляризуемостью выражается Лоренц — Лоренца формулой.

Лоренц - Лоренца формула

Лоренц — Лоренца формула связывает преломления показатель n вещества с электронной поляризуемостью a_эл составляющих его частиц (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул имеет вид:

    (*)

(N — число поляризующихся частиц в единице объёма). В случае смеси k вещества правая часть (*) заменяется на сумму k членов , (i = 1, 2, …, k), каждый из которых относится лишь к одному из этих веществ (сумма всех N_i равна N).

Л. — Л. ф. выведена в предположениях, справедливых только для изотропных сред (газы, неполярные жидкости, кубические кристаллы). Однако, как показывает опыт, (*) приближённо выполняется и для многих других веществ (допустимость её применения и степень точности устанавливаются экспериментально в каждом отдельном случае). Л. — Л. ф. неприменима в областях собственных (резонансных) полос поглощения веществ — областях аномальной дисперсии света в них.

Поляризуемость вещества можно считать чисто электронной лишь при частотах внешнего поля, соответствующих видимому и ультрафиолетовому излучению. Только в этих диапазонах (с указанными выше ограничениями) применима Л. — Л. ф. в виде (*). При более медленных колебаниях поля, в инфракрасной (ИК) области, успевают сместиться более тяжёлые, чем электроны, ионные остовы (атомы) и приходится учитывать их вклад в поляризуемость a_ат. В ряде случаев достаточно в формуле (*) заменить a_эл на полную «упругую» поляризуемость a_эл и a_ат, см. Клаузиуса — Моссотти формула; следует иметь в виду, что диэлектрическая проницаемость e = n²). В полярных диэлектриках в ещё более длинноволновой, чем ИК, области спектра существенна так называемая ориентационная поляризация, обусловленная поворотом «по полю» постоянных дипольных моментов частиц. Её учёт приводит к усложнению зависимости n от a для этих частот (формула Ланжевена — Дебая).

Электротепловой пробой

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло - Q₁ становится больше отводимой теплоты - Q₂. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.

Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, то можно легко получить приближенное выражение для анализа зависимости U_пр от влияния различных факторов. Для тепла, выделяющегося в диэлектрике, имеет место выражение где
U - напряжение, приложенное к образцу диэлектрика;
частота приложенного напряжения;
электрическая емкость образца;
тангенс угла диэлектрических потерь.

Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то где
и постоянные зависящие от природы диэлектрика;
температура окружающей среды (электродов);
температура диэлектрика.

Электрический пробой

Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10^-5 - 10^-8 с.

Е_пр при электрическом пробое зависит главным образом:

• от внутреннего строения диэлектрика;

и практически не зависит:

• от температуры;

• частоты приложенного напряжения;

• геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10^-4 - 10^-5 см.

По сравнению с воздухом, у которого Е_пр порядка 3 МВ/м, наибольших значений Е_пр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 10² - 10³ МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 10² МВ/м.

Пробивное напряжение и электрическая прочность

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле, E_пр = U_пр / d, где E_пр, В/м;
U_пр - пробивное напряжение, В;
d - толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами таково:

1 МВ/м=10⁶ В/м=1 кВ/мм.

Домены

К фундаментальным особенностям сегнетоэлектриков относится их способность в полярной фазе (ниже точки Кюри) разбиваться на большое число крошечных областей с постоянной, возникающей самопроизвольно электрической поляризацией, называемых доменами. Однако при обычных условиях направления поляризации в отдельных доменах различны, и поэтому во всем образце дипольные моменты доменов компенсируют друг друга и суммарная поляризация равна нулю. Образец становится поляризованным лишь после того, как внешнее электрическое поле выстроит домены в определенном направлении.
Домены отделены друг от друга доменными стенками - переходными областями, в которых электрические дипольные моменты изменяют свое направление, характерное для одного домена, на направление в другом.
Что управляет образованием и структурой доменов? Если бы образец сегнетоэлектрика был полностью поляризован и представлял собой один большой домен, то он создавал бы сильное внешнее поле, направленное противоположно поляризации и называемое деполяризующим полем (рис. 5а).

Разделение сегнетоэлектрика на домены приводит к уменьшению деполяризующего поля. Если, например, образец сегнетоэлектрика состоит из двух доменов с противоположно направленной поляризацией (рис. 5б), то требуемая энергия была бы намного меньше, чем в первом случае, однако она еще значительно больше возможного минимума. Можно представить себе еще более стабильную структуру, в которой имеется четыре противоположно поляризованных домена (рис. 5в). В результате деполяризующее поле существенно уменьшается и деполяризации кристалла не происходит. Однако процесс разбиения на домены не может идти беспредельно, так как на образование доменных стенок, то есть границ между доменами, затрачивается определенная энергия. По-видимому, равенство энергии деполяризующего поля и энергии доменных стенок ставит предел дальнейшему разбиению образца на домены и определяет равновесный размер доменов.
Когда мы помещаем образец сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле, то в нем происходит перемещение доменных стенок, увеличивающее те домены, в которых направление спонтанной поляризации наиболее близко к направлению внешнего поля. Домены эти растут за счет доменов с менее выгодно ориентированным дипольным моментом, и последние сокращаются.

т-ра КЮРИ -при которой происх. исчезновениеспонт п-ции

точка Кюри-температура фазового перхода

5