Сегнетоэлектрики

Этот класс полярных диэлектриков получил свое наименован по веществу (сегнетова соль), в котором были найдены гистерезисные свойства. Из-за аналогии в поведении во внешних полях ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, последние иногда называют «ферроэлектриками».

В отсутствии внешнего электрического поля в сегнетоэлектрике существуют области спонтанной поляризации, называемые доменами (рис.17.16).

Важной особенностью сегнетоэлектриков является зависимость диэлектрической проницаемости от величины напряженности эффективного электрического поля, При этом величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков может достигать очень больших значений – до 10000.

Рис.17.16. Модель доменной структуры в сегнетоэлектрике.

В каждом i -том домене суммарный дипольный момент (вектор поляризации, или поляризованность) отличен от нуля:

,(17.33)

(суммирование ведется по составляющим домен j -тым диполям). Но в отсутствие внешнего электрического поля вектор поляризации кристалла сегнетоэлектрика в целом равен нулю, так как дипольные моменты всех доменов компенсируют друг друга:

. (17.34)

Поместим сегнетоэлектрик во внешнее однородное электростатическое поле (рис.17.18а).

I. На первом этапе меняется величина дипольных моментов в каждом домене - особенно в тех, которые по ориентации ближе к направлению внешнего поля. Иначе говоря, происходит смещение границ доменов (рис.17.17 и 17.18б).

II. На втором этапе происходит изменение ориентации (вращение) дипольных моментов в каждом домене - они ориентируются по полю (рис.17.17 и 17.18в).

. На третьем этапе весь сегнетоэлектрик превращается в один домен, вектор поляризации которого направлен по полю. Происходит насыщение поляризованности сегнетоэлектрика (рис. 17.17 и 17.18в).

Рис.17.17.Зависимость поляризованности (величины вектора поляризации) кристалла диэлектрика от величины результирующего – эффективного – поля.

Рис.17.18. Изменение доменной структуры сегнетоэлектрика в процессе поляризации во внешнем электрическом поле

Начнем теперь уменьшать величину внешнего электростатического поля (рис.17.19). Величина эффективного поля одновременно тоже будет уменьшаться.

Поляризованность кристалла сегнетоэлектрика (величина вектора поляризации) начнет падать, кривая пойдет вниз, но не по тому пути, по которому происходил рост. В результате при уменьшении напряженности поля до нуля величина поляризованности кристалла не будет равна нулю – остаточная поляризованность (рис.17.19).Диэлектрик станет подобным постоянному магниту. У него будут «северный»и «южный» (отрицательный и положительный) полюсы, и он будет вести себя как большой постоянный электрический диполь.

Дальнейшее поведение сегнетоэлектрика очевидно из рис.17.19, на котором изображена гистерезисная петля. Чтобы «разполяризовать» («разэлектризовать») кристалл диэлектрика, надо изменить направление (знак) внешнего электростатического поля. Увеличивая напряженность поля обратного направления, мы снимем поляризованность сегнетоэлектрика. Величина поля обратного знака, которое надо приложить, чтобы поляризованность стала равной нулю, называется коэрцитивной силой (рис.17.19).

Рис.17.19. Петля сегнетоэлектрического гистерезиса.

При дальнейшем увеличении поля обратного знака мы вновь поляризуем кристалл («наэлектризуем») его, но переменим местами полюсы. Наконец, опять достигнем насыщения, и далее процесс может быть повторен в обратном направлении.

Почему эти явления называются гистерезисными? В переводе с греческого «гистерезис» - запаздывание. Петля, изображенная на рис.17.19, называется петлей гистерезиса. Площадь петли гистерезиса пропорциональна величине потерь на изменение направления вектора поляризации («переполяризацию») сегнетоэлектрика.

Для источников постоянного электрического поля применяются “жесткие “ сегнетики с максимальной коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса). В переменных полях используются «мягкие» сегнетики с минимальной коэрцитивной силой (с узкой петлей гистерезиса).

При наложении внешнего электростатического поля сегнетоэлектрики изменяют свои размеры - обратный пьезоэффект, явление электрострикции.

В свою очередь деформация кристалла сегнетоэлектрика приводит к его поляризации – пьезоэлектрический эффект.