А.Н. Матвеев - Электричество и магнетизм (1115536), страница 43
Текст из файла (страница 43)
А к= Т вЂ” Т ' (23.4) на кривой показывают направление движения точки по кривой прн изменении напряженности поля. Отрезок ОА характеризует остаточную поляризацию, т.е. ту поляризацию, которую образец имеет тогда, когда напряженность внешнего поля обратилась в нуль. Отрезок ОВ характеризует напряженность, имеющую противоположное поляризованности направление, при которой образец полностью деполяризуется, т. е. его остаточная поляризация исчезает. Чем больше ) ОА ), тем более значительна остаточная поляризация сегнетоэлектрика. Чем больше ~ОВ), тем лучше остаточная поляризация удерживается сегнетоэлектриком, Т очка Кюри.
Прн повышении температуры выше некоторого значения Ть, характерного для каждого свгнвтаэлектрика, ега сегнетаэлектрические свойства исчезают и ан превращается в обычный полярный диэлектрик. Точка фазового перехода из состояния сегнетоэлектрика в состояние полярного диэлектрика называется точкой Кюри, в соответствующая ей температура Т» — температурой Кюри. В некоторых случаях имеются две точки Кюри — сегнетозлектрические свойства исчезают также и при понижении температуры.
Например, у сегнетовой соли имеются две точки Кюри, характеризуемые температурами гко = 24'С, = — 18 'С. Сегнетоэлектриков с двумя точками Кюри сравнительно немного. Болыпинство имеет лишь верхнюю точку, называемую просто точкой Кюри. В тачке Кюри осуществляется переход диэлектрика из сегнетоэлектрическаго состояния в состояние полярного диэлектрика. При этом диэлектрическая пранииавмасгпь изменяется непрерывно ат значения, соответствующего сегнегпоэлеюпричегкаму состоянию, да значения, саатввтству~ащега састаяншп палярнага диэлектрика.
Закон изменения диэлектрической восприимчивости х вблизи температуры Кюри имеет вид й 23 Сегнетоэлектрики 191 где А — некоторая константа; Ть — температура Кюри — Вейсса, близкая к температуре Кюри Т„(в большинстве случаев в формуле (23.4) вместо Тв используют Т», что нс вносит сколько-нибудь существенных погрешностей< в и для температур, отличных от Тк). Закон, выражаемый формулой (23.4), называется законом Кюри — Вейсса. Если имеется также и нижняя точка Кюри, то вблизи пее закон Кюри — Вейсса имеет вид и =- (23.5) Т' — Т Как уже говорилось, у кристаллов диэлектрические свойства различны по различным направлениям и поэтому их диэлектрическая восприимчивосп, характеризуется не скалярной диэлектрической восприимчивостью и, а тензором диэлектрической восприимчивости ни Однако зависимость компонент тензора от температуры имеет тот же характер, что и в (23.4) и (235), Молекулярный механизм спонтанной поляризованности.
Теория сегнстоэлектричества лежит вне рамок курса общей физики. Поэтому ограничимся лишь качественным описанием процессов на молекулярном уровне. Очень сильное взаимодействие между дипольными моментами молекул может привести к тому, что возникает конечная поляризованность Р при сколь угодно малой напряженности Е поля или, что то же самое, возможна поляризованносгь Р при отсутствии внешнего поля. Другими словами, при сильном взаимодействии л<еэкду диполь- ными моментами молекул возникает спонтанная поляризация, при которой отдельные дипальиые моменты ориентируются в одном и тач э<се направлении.
Принимая во внимание, что постоянные дипольные моменгы во много раз больше, чем индуцированные [см. (22.19)3, можно заключить, что спонтанная поляризация характеризуется очень большой поляризованностью. А это приводи~ к тому, что соответствующие восприимчивость и и диэлектрическая проницаемость с значительно больше значений, наблюдаемых у полярных и неполярных диэлектриков, Состояние спантаппай поляризации и есть сегнеп<оэлвктричвскае состояние. Переход нз сегнетоэлектрического состояния в состояние полярного диэлектрика является переходом из состояния спонтанной поляризации в состояние, когда спонтанная поляризация исчезает и,диэлектрнк становится обычным диэлектриком с молекулами, обладающими постоянными липольными моментами, т. е.
переходом в состояние полярного диэлектрика. Физические факторы, приводяи1ив к э<пал<у переходу, сводятся к .чсхапизмам, аглае <як<и)ич взаимодействие дипальнь<т ма чеитав молекул. иэлектрические домены. Спонтанная поляризация является источнид ком очень больших электрических полей. Поэтому, если макроскопический объем сегнетоэлектрнка полярнзован спонтанно в некотором направлении, вокруг этого обьема возникает очень большое электрическое поле, с которым связана большая энергия поля. Такое состояние 192 3. Диэлектрики энергетически невыгодно.
Система стреиится перейти в такое состоянис, чтобы, с одной стороны, сусцествовала спонтанная поляризация, а с' другой стороны, энергия тмя была бы минимальной. Это может осущеппвитьея в результате раэделтшя пбьема еегнетоэлектрика на малые области, в каждой из которых имеетгя спонтанная поляризация в некотории определенном направлении, различном для различных областсй. Средьсяя поляризованность объема, включающего достаточное число малых областей с различными направлениями спонтанной поляризации, равна нулю и поэтому напряженность внешнего электрического поля, порождаемого этим объемом, близка к нулю. Малые области го спонтанной поляризацией называются диэлектрическими доменами или просто доменами.
Таким образом, неполяризованный сегнетоэлектрик является совокупностью доменов с беспорядочно ориентированными спонтаннымя поляризованносгями. Очевидно, что для уменьшения электрической энергии выгодно уменьшать объемы доменов. Однако процессу у,иеньшения размера доменов препятствуст другой фактор, связанный с наличием поверхностной энергии на границе между соеедни.ии доменами Ясно, что суммарная поверхность границ между доменами увеличивается при уменьшении обьема доменов и, следовательно, увеличивается также и поверхностная энергия.
Поэтому объемы доменов могут уменьшаться лишь до определенных пределов, когда это приводит к уменьшению полной энергии сисгемы. При дальнейшелс уменьшении обьема доменов эа счет поверхностной энергии происходит не улсеньшессие, а увеличение полной энергии. Тем самым фиксируются раэмерьс доменов. Эти размеры имеют порядок тысяч межмолекулярных расстояний. Существование доменов доказывается в экспериментах прямым наблюдением с помощью поляризованного света, а также в опытах по травлению поверхности сегнетоэлектрнка, поскольку различные части домена при травлении разрушаются с различной скоростью.
Процесс изменения полярпзованносги сегнетоэлектрика во внешнем электрическом поле состоит в переориентации дипольных моментов отдельных доменов, в изменении объемов и движении границ между доменами. Эти процессы усиленно изучаются, поскольку сегнетоэлектрнки имеют многочисленные практические применения. Известно более ста различных чистых сегнетоэлектриков и очень большое количество сегпетоэлектрических твердых растворов.
А нтисещсетоэлектрнки. При опредеденных условиях в кристалле возникают одновременно две спонтанные поляризации, направленные противоположно друг другу. Одна нз спонтанных поляризаций возникает в результате ориентировки днпольных моментов молекул одной из подрешеток кристалла в одном направлении, а другая — в результате ориентировки дипольных моментов молекул другой из подрешсток кристалла в противоположном направлении. При этом полная поляризованность любого физически малого объема такого кристалла равна нулю. Таким образом, доменов с различными направлениями спонтанной поляризации нет, хотя спонтанная поляризация в любом физически 7 А Н Мзтвссв малом объеме присутствует. Такие вещества называются антнсегнетоэлекгрнками. Они по своей структуре аналогичны антиферромагнетикам н поэтому иногда называются антиферроэлекгрнками В достаточно малых полях антисегнетоэлектрики ведут себя как обычные диэлектрики с линейной зависимостью поляризованности от напряженности внешнего поля.
В достаточно сильных полях возможен переход в сегнетоэлектрическое состояние со всеми вытекающими отсюда последствиями, в частности наблюдается петля гнстерезиса. Переход осуществляется при большой по модулю напряженности электрического поля. Поэтому при большой амплитуде колебаний напряжения в схеме на рнс. 104 с антисегнетоэлекгриком вместо сегнетоэлектрика наблюдаются две петли гистерезнса 1рис. 106). й 24. Пьезоэлекгрнки Описываются механизлзы пьезоэффекта и обратного пьезозффектгь Обсуждается соотношение между обратиьзм пьезоэффектом и электрострикзуией. Даюзпся основные сведения о ггироэлектриках.
Свойства пьезоэлектриков. Имеются многочисленные кристаллы, на поверхности которых лри деформазуиях возникают электрические заряды. Такие кристаллы называются пьезоэлекгриками. Поскольку деформации сами по себе не в состоянии изменить общий заряд крисуаяла, образуюиуиеся лри деформации поверхностные заряды имеют различные знаки на различных частях поверхности. К числу пьезоэлекгриков относят кварц, турмалин, ссгнетову соль и многие другие. Как показывает опыт, заряды на поверхности пьезоэлектрика возникают в результате однородных деформаций сжатия или растяжения во вполне определенных направлениях, называемых полярными осими пьезоэлеитрика.
На противоположных гранях, перпендикулярных полярной оси, при одно- б 24 Пьезоэлектрикп 193 1Вб Двойные петли гистерезлск у ентисегиетоэксктрикое, переходящих з больших полях в ссгистоэкектрпческос состояние ° При еоэникнавеним условий для спонтанной поллрмзации дизлектрни стренится лерейтн в такое со. стояние, чтобы, с одной стороны, существавале спонтанная паплрнзацив,а с другой стороны, энергия поги была бы нимимальной. Благодаря эгону происходит образование до. ионов. Исчезновение спонтанной поляризации и перысод нэ сегнетаэпектрического состояния в состокнле палкрного диэлектрика вызывазатсп фактарани, ослабляющими взаинодей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
