Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 22
Текст из файла (страница 22)
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. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
