С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 22

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

Если области спонтанной поляризации велики или если даже весь кристалл представляет собой одну такую область, то поляризация обычно все же пе проявляется, так как на поверхности кристалла возникают поверхностные заряды (вследствие осаждения ионов из воздуха или за счет электропроводности кристалла), компенсирующие поляризационные заряды кристалла Поэтому в обоих случаях могут наблюдаться только изменения электрического момента сегнетоэлектрика, возникающие по каким-либо причинам.

Во внешнем электрическом поле происходит изменение направления поляризованности в отдельных областях Это изменение таково, что векторы поляризованности приближаются к положению, параллельному направлению поля, и тем ближе, чем сильнее поле ~рис. б9б). Кроме того, границы между отдельными областями могут смещаться таким образом, чтобы обьем энергетически более выгодных областей увеличивался за счет обьема энергетически менее выгодных. Поэтому электрический момент всего сегнетоэлектрика изменяется и это изменение воспринимается как его поляризация Наличие областей спонтанной поляризации является наиболее общим и точным признаком сегнетоэлектриков Кристаллы, в которых возникаст спонтанная поляризация без внешнего Злектрического поля, образуют более широкую группу, нежели сегнетозлектрнки Они получили название пирозлсктприхов Помимо упомянутой выше причины, спонтанная поляризация может возникнуть вследствие о~ обенно- 104 гл ч диэлвктгики отей структуры кристалла.

Так, расположение положительных и отрицательных ионов в элементарной ячейке кристалла может быть таким, что их электрический дипольный момент не равен нулю. Тогда н кристалл в целом приобретает электрический момент, т.е. оказывается поляризованным. Поляризованность прн этом направлена вдоль некоторой, характерной для данного кристалла, оси. Для возникновения спонтагп«ой поляризации такого рода необходимо, чтобы у кристалла было выделенное направление и притом единственное.

Поэтому спонтанная поляризация имеет место только у кристаллов определенных кристаллографических классов. В отличие от сегнетоэлектриков, рассматриваемая спонтанная поляризация практически не изменяется внешним электрическим полем. Вследствие компенсации поляризационных зарядов из-за проводимости кристалла, а также в результате оседания ионов из воздуха, постоянная спонтанная поляризация не наблюдается Однако она проявляется при нагревании кристалла Вследствие теплового расширения изменяется расположение ионов в элементарной ячейке, а следовательно, изменяются ее днпольный момент и поляризованность кристалла Это изменение и проявля»тся как вош»икновение поляризационных зарядов на грат«ях кристалла.

Электризация прн нагревании кристаллов получила название пироэлекшроческоао эффекта. Отсюда произошло и название веществ, в которых наблюдается это явление Классическим примером пироэлектрика являются кристаллы турмалина. Из 32 кристаллографнческих классов симметрии только 10 являются пироэлектрическими.

Таким образом, сегнетоэлектрики представляют собой частный случай пироэлектриков, в которых спонтанную поляризацию можно обратимо изменять электрическим полем. По аналогии со свойствами ферромагнитных материалов Я 112) сстнетоэлектрнки можно назвать «мягкими» пироэлектриками, По этой же аналогии их часто называют ферроэлеяглрпка.мп. $51. Пьезоэлектрический эффект До сих пор мы рассматривали поляризацию диэлектриков, вызванную внешним электрическим полем. В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям.

Это явление, открытое в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название пьезоэлектрического эд»фекто. Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани кристаллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются ицдуцированные заряды, равные по модулю поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток. Рассмотрим основные особенности пьезоэлектрического эффекта на примере кварца.

Кристаллы кварца %02 существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересую- ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ 105 щие нас кристаллы 1сз-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографнческой системе и обычно имеют форму, показанную на рис. 70. Они напоминают шестигранную призму, г' ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кри- 1,.е сталла. Одна из этих осей — х' соеди- ! чь няет вершины пирамид.

Три другие Хт~ Х1, Хз, Хз перпендикулярны к оси 2 и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направле- l ние, определяемое осью х", пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит Рнс 70. кристалл кварца Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпендикулярном к оси Я, возникает электрическая поляризация, Ось х называется оптичес- кой осью кристалла, а оси Х1, Хз, У Хз — электрическими или пьеэо- б С у электрическими осями. ! Рассмотрим пластинку кварца, 1 вырезанную перпендикулярно к од- 1 ф ной из пьезоэлектрических осей Х.

к Г в ~ Ось, перпендикулярную к Я и Х, обозначим через т' (рис. 71). Тогда оказывается, что при растяжении пластинки вдоль оси Х на пер- Е А пендикулярных к ней гранях АВС1) и ЬГСН появляются разноименные Рис 71. Кварцевая пластин- поляризациопные заряды. Такой пье- ~ыр~занн~я перпендику зоэлектрический эффект называется лярно к пьезоэлектрической продольным. Если изменить знак деоси формации, т.е. перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на обратные.

Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показмвает, что концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные направления (что отмечено на рис 70 стрелками) Это значит, что при данной деформации знак заряда зависит от того, направлена ли ось Х по внешней нормали к грани нли по внутренней. Такие оси с неравноправ- 10б ГЛ Ч ДИЭЛЕКТРИКИ ными концами получили название полярных осей.

В отличие ог полярных осей Хм Хм Хэ, концы оси и совершенно равноправны и она является неполярной осью. Неравноправность концов полнрной оси проявляется, конечно, не только в пьезоэлектрическом эффекте, но и в других явлениях. Так, например, скорость химического травления граней, расположенных у разных концов полярной оси, оказывается различной и получающиеся при этом фигуры травления отличаются друг от друга. Наряду с продольным пьезоэлектрическим эффектом существует также поперечный пьезоэлектрический эффект.

Он заключается в том, что при сжатии или растяжении вдоль оси У возникает поляризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСх) и ЕРСН появляются поляризационные заряды. При этом оказывается, что знаки зарядов на каждой грани при сжатии вдоль 1' (в поперечном эффекте) такие же, как при растяжении вдоль Х в продольном эффекте). ьезозлектрический эффект объясняется следующим образом. В В 46 мы уже говорили, что в ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электрического поля.

Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется электрический момент кристалла. Это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте.

б Х,1 е Х4 и Х, Х3~ В Рис. 72. К объаснению пьезоэлектрического эффекта Рисунок 72 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце. Здесь схематически показаны проекции положительных ионов Б (заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в плоскости, перпендикулярной к оптической оси Я. Этот рисунок не соответствует пьезоэлектгнчипкнй ЗФФВкт 107 фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного.

Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения. Рисунок 72 а соответствует недеформированному кристаллу. На грани А, перпендикулярной к оси Х1, имеются выступающие положительные заряды, а па параллельной ей грани  — выступающие отрицательные заряды. При сжатии вдоль оси Х1 (рис. 72 б) элементарная ячейка деформируется. При этом положительный ион 1 и отрицательный ион 2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плоскости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению отрицательного заряда на плоскости А и положительного заряда на плоскости В. При растяжении вдоль оси Х1 имеет место обратное (рис. 72 в): ионы 1 и 2 «выталкиваются» из ячейки.

Характеристики

Список файлов книги