Представление о нелинейной поляризации

В описанных выше явлениях поляризации вектор поляризации Р   линейно зависел от вектора напряженности электрического поля Е. Имеются диэлектрики, у которых эта зависимость имеет более сложный характер.

В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Всю группу веществ, назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики). Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно, вектор поляризации в разных направлениях разные.

Основные свойства сегнетоэлектриков:

1. Диэлектрическая проницаемость ε в некотором температурном интервале велика(ε~10⁴).

2. Значение ε зависит не только от внешнего поля E ₀, но и от предыстории образца.

3. Диэлектрическая проницаемость ε (а следовательно, и поляризация Р) – нелинейно зависит от напряженности внешнего электростатического поля (нелинейные диэлектрики).

4. Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические свойства пропадают. При этой температуре происходит фазовый переход 2-го рода.     Например, титанат бария: 133º С; сегнетова соль: – 18 + 24º С; ниобат лития 1210º С.

Нелинейная зависимость поляризации диэлектриков от напряженности внешнего поля называется диэлектрическим гистерезисом (рис.3.11).

Рис.3.11

Ес – коэрцитивная сила, Pс – остаточная поляризация,   а – состояние насыщения.

Стремление к минимальной потенциальной энергии и наличие дефектов структуры приводит к тому, что сегнетоэлектрик разбит на домены – области с различными направлениями поляризации (рис.3.12а). В отсутствии поля суммарный дипольный момент практически отсутствует (рис.3.12б). Под действием электрического поля Е доменные границы смещаются так, что объем доменов, поляризованных по полю, увеличивается за счет доменов, поляризованных против поля (рис.3.12в).

                        а                                                    б                            в

Рис.3.12

В сильном электрическом поле кристалл становится однодоменным. После выключения электрического поля образец остается поляризованным (остаточная поляризация  Pс). Чтобы убрать остаточную поляризацию, необходимо приложить поле противоположного направления (коэрцитивное поле Ес).

Среди диэлектриков есть вещества, называемые электреты – диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электростатического поля (аналоги постоянных магнитов).

Некоторые диэлектрики поляризуются не только под действием электрического поля, но и под действием механической деформации. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Если на грани кристалла наложить металлические электроды (обкладки) то при деформации кристалла на обкладках возникнет разность потенциалов (рис.3.13).

Рис. 3.13

Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект: если на пьезоэлектрический кристалл подать напряжение, то возникнут механические деформации кристалла, причем, деформации будут пропорциональны приложенному электрическому полю Е ₀. Пьезоэффект широко используется в технике (генераторы ВЧ, шаговые двигатели, микрофоны, наушники, датчики давления и ускорения, частотные фильтры, пьезоэлектрические адаптеры).

.