С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 21
Текст из файла (страница 21)
При выводе (48,1) предположено, что поле Е' не очень велико и вызывает только слабую упорядоченность в расположении диполей. Отметим, что результат, выраженный формулой (48.1), качественно понятен и без расчетов: чем болыпе поле Е', тем сильнее ориентация диполей, тем болыпе будет и проекция дипольного момента на направление поля; напротив, чем выше температура, тем сильнее дезориентирующее влияние теплового движения, тем меньше и проекция дипольного момента. Сравнивая (48.1) с (46.1), мы видим, что при дипольной поляризации величина р~/3аеИТ играет ту же роль, что и поляризуемость молекулы /1 в неполярных диэлектриках.
Подставляя эту величину в (47.3), получим (е — 1)/(е+ 2) = реп/(9сайТ). (48.2) Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков зависит от температуры и уменыпается при нагревании. Отметим еще раз, что последняя формула, так же как и формула (47.3), справедлива липгь тогда, когда внутреннее поле можно представить в виде (47.2). В жидкостях с полярными молекулами, в отличие от неполярных жидкостей, формула (47.2) для внутреннего поля, по-видимому, оправдывается плохо. Положение упрощается для газообразных диэлектриков. Вследствие слабой их поляризуемости в ннх можно считать внутреннее поле .Е' равным среднему полю Е. 'Зто значит, что в левой части формулы (48.2) нужно положить с+ 2 3. Если в газообразном диэлектрике молекулы обладают в отсутствие поля постоянным дипольным моментом и, кроме того, могут деформироваться в электрическом поле, то диэлектрическая проницаемость газа равна с = 1+ и(/1+ ре/(3аоЬТЯ.
(48.3) Здесь второе слагаемое описывает электронную поляризацию смещения, а третье — дипольную (ориентационную) поляризацию. 9 49. Определение дипольных моментов молекул Рассмотренная выше теория поляризации диэлектриков, принадлежащая в основном Дебзю и Ланжевену, приводит к зависимости диэлектрической проницаемости от температуры, показанной на рис. бб.
По оси ординат отложено значение молярной поляризованности, а по оси абсцисс — величина, обрат- гл ц 100 диэлвктгики ная термодинамической температуре. Для чисто неполярных диэлектриков (ре = О) молярная поляризованность не зависит от температуры и изображается прямой 1, параллельной оси 1(Т. Для чисто полярных диэлектриков я-! й (13 = О) эта зависимость, согласно атт 7 (48.2), выражается прямой 2, проходящей черю начало координат. Если молекулы имеют и постоянный дипольный момент ре, и заметно деформируются ф ~ О), то наблюдаются оба типа поляризации и рассматриваемая зависимость изображается прямой Ю, получаемой сложением прямых 1 и в.
рис. ЕЕ. Теоретическая за- Исследуя на опыте температурную аисиыаст ыа""риа" ваяя зависимость диэлектрической прони- цаемости с, можно определить, какой туры тип поляризации имеет место в данном диэлектрике, и выделить электронную поляризацию смещения и ориентационную (дипольную) поляризацию. А отсюда можно найти по формулам (47.3) и (48.2) поляризуемость молекулы 9 или соответственно ее дипольный момент ре. Значения дипольных моментов молекул, полученные таким образом для некоторых веществ, приведены в табл. 2. Табаица 2 Зная дипольный момент, можно оценить размеры молекул.
Простейший случай представляет молекула из двух ионов, для которой ре = о1 (д — заряд ионов, 1 — расстояние между их центрамн). Так, например, для молекулы НС1 о равно заряду электрона е = 1,60 10 '~ Кл, так как известно, что водород содержит всего один электрон. Поэтому для расстояния между центрами ионов мы находим 1 = (3,4 10 зе); (1,60. 10 ш) = — 2 10 ы м = 0,2. 10 е см, что по порядку величины хорошо совпадает с размером молекул, определяемым из данных химии и молекулярной физики.
101 свгнвтоэлкктиики 1 50 $ 50. Сегнетоэлектрики Некоторые химические соединения в твердом состоянии имеют весьма необычные и интересные диэлектрические свойства. Первоначально эти свойства были обнаружены в кристаллах сегнетовой соли, и поэтому все подобные диэлектрики получили название сегнетоэлекгприкое. Детальное исследование диэлектрических с 6 свойств сегнетовой соли было впервые произведено и 1930 — 1934 гг. И.В. Курчатовым и П.П. Кобеко, которыми были установлены все основные свойства сегнетоэлектриков. Сегнетова соль представляет собой двойную натрий-калиевую соль винной кислоты г'аКС4Н40е - 4НгО. Ее кристаллы принадлежат к ромбической системе и обычно имеют вид, показанный р 87 кр на рис.
67, где а, 6, с — кристаллографи- и рлк ческие оси. Кристаллы сегнетовой соли обнаруживают резкую анизотропию свойств, Сегнетоэлектрические свойства, описываемые ниже, наблюдаются, если электрическое поле конденсатора направлено вдоль кристаллографической оси а (рнс. 67). Первая особенность сегнетовой соли заключается в том, что в некотором температурном интервале ее диэлектрическая проницаемость весьма велика и достигает огромного значения: около 10000. Второе важное свойство сегнетовой соли обнаруживается при исследовании зависимости электрического смещения от напряженности поля.
Смещение оказывается не пропорциональ- ным полю, а значит, диэлектрическая В 2 проницаемость зависит от напряжен- ! ности поля. Эта зависимость для разй 3 ных сегнетоэлектриков различна. е Третья особенность состоит в Е~ том, что значение электрического смещения в сегнетовой соли определяется не только значением напряженности поля, но зависит еще от предшествовавших состояний поРис. 88.
ДкэкектРический ляризации Это явление называется г"стеРеэис к еегкетоэлек 'Рк- диэлектрическим гистерезисом (ср. 8 110). Зависимость смещения .0 от напряженности поля Е имеет вид, изображенный на рис. 68. При первоначальном увеличении поля нарастание смещения 102 гл г диэлвктгики описывается ветвью кривой 1, которая не линейна. Если затем уменьшааь электрическое поле (напряжение на конденсаторе), то уменьшение смещения будет происходить в соответствии с ветвью й Когда поле становится равным пулю, смещение не равно нулю и изображается отрезком Рм Это показывает, что в сегнетовой соли имеется остаточная поляризация и сегнетова соль остается поляризованной даже в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризацию, нужно создать электрическое поле Е1 обратного направления.
При дальнейшем циклическом изменении электрического поля изменение смещения описывается изображенной петлеобразной кривой — петлей гистерезиса. Эти свойства присущи не только сегнетовой соли, но и всем сегнетоэлектрикам. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. При температурах, превышающих определенное значение Тк, различное для разных веществ, сегнетоэлектрические свойства исчезают и сегнетозлектрик превращается в обычный диэлектрик.
Эта температура называется температурой Кюри или точкой Кюри в честь Кюри, который впервые обнаружил существование подобной критической температуры при исследовании магнитных свойств железа и сходных с ним веществ (ферромагнетиков). В некоторых случаях, как, например, для сегнетовой соли, существуют две температуры Кюри (+24 'С и — 18 'С) и сегнстоэлектрические свойства наблюдаются только при температурах, лежащих между обеими точками. Наличие одной или нескольких точек Кюри является четвертым характерным свойством всех сегнетоэлектриков. Помимо сегнетовой соли сегпетоэлектрическими свойствами обладают и другие соединения, например КНгР04 (фосфат калия) и КНзАв04. Практически важным сегнетоэлектриком является титанат бария ВаТ10з.
Его точка Кюри лежит около 120 'С, а диэлектрическая проницаемость достигает в максимуме 6000-7000. Сегнетоэлектрики имеют важные практические применения Приготовляя сложные диэлектрики на основе сегнетоэлектриков и добавляя к ним различные примеси, можно получить конденсаторы большой емкости при малых размерах и придать им высокие качества Причиной сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольная поляризация сегнетоэлектриков, возникающая в них под действием особенно сильного взаимодействия между частицами. Под влиянием этого взаимодействия сегнетоэлектрик подразделяется на отдельные области — области самопроизвольной (спонтанной) поляризации, или дизлекшрическпе домены, в ко- 103 ~ 50 сегнетоэлектгики торых возникает большой электрический момент даже в отсутствие внешнего электрического поля Спонтанная поляризация н обычных условиях, .однако, не проявляется.
Если указанные области малы, то поляризованность направлена в разных областях различно и результирующее значение электри- ~' ческого момента всего сегнетоэлектрика близко к нулю (рис 69 а). ~, Такое расположение соответствует минимуму энергии, так как а г е в противном случае вокруг гегнетоэлектри- Рис. бз. Области самопроизвольной полярика возникло бы элек- зации в сегнетозлектриках и направление вехтрнческое поле, котО- тора поляризованности в них (схематически) рое содержало бы в а) сегнетозлекгрик в целом нвполяризоваи, себе дополнительную б) ссгнсзозлектрнк поляризован энергию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
