Активные диэлектрики. Общие сведения

Поляризация — это процесс ограниченного смещения связанных зарядов в диэлектрике и поворот электрических диполей. Поляризация обычно происходит под действием внешнего электрического поля, но может происходить и под действием других внешних сил или спонтанно.

Способность диэлектрика поляризоваться можно оценить по величине относительной диэлектрической проницаемости  ɛ.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, показывает, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия F_o в вакууме:

 

 

и может быть определена как отношение ёмкости конденсатора с данным диэлектриком C_x и ёмкости того же конденсатора в вакууме C_o:

 

Большинство обычных (пассивных) диэлектриков способны поляризоваться под действием внешнего электрического поля, причем диэлектрическая проницаемость пассивных диэлектриков не зависит от напряженности внешнего электрического поля. Они применяются в качестве электрической изоляции и диэлектрика в конденсаторах.

 

Активные диэлектрики отличаются от обычных тем, что их свойствами, в частности диэлектрической проницаемостью можно управлять в широком диапазоне, воздействуя на них электрическим, магнитным, тепловым и другими полями. Так поляризация может возникать в результате деформации (пъезоэлектрический эффект), намагничивания (сегнетомагнитный эффект), изменения температуры (пироэлектрический эффект). Возможны также и обратные явления – деформация в результате поляризации (обратный пъезоэлектрический эффект) и др.

 

Такие свойства активных диэлектриков позволяют создавать много важных устройств: варикондов, датчиков температуры, давления, магнитного поля, линий задержки, усилителей и др.

 

 К активным диэлектрикам можно отнести сегнетоэлектрики, пъезоэлектрики, электреты, диэлектрики для приборов квантовой электроники, электрооптические материалы.

 

 

2. Сегнетоэлектрики – кристаллические диэлектрики, в которых самопроизвольно возникает поляризация, но только в некотором интервале температур. Температура, при которой происходит исчезновение спонтанной поляризации, называется сегнетоэлектрической температурой Кюри. Объем сегнетоэлектрика, как правило, делится на домены – макроскопические области с разным направлением векторов спонтанной поляризованности. В результате этого при отсутствии внешнего электрического поля суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. Под воздействием внешнего электрического поля вектор спонтанной поляризованности ориентируется, в основном, в напралении поля, которое вызывает эффект очень сильной поляризации, следствием которой есть сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости ε.

 

Графическая иллюстрация:

 

 

Рис. 1. Схематическое изображение элементарной ячейки сегнетоэлектрика в полярной фазе (а и б) и в неполярной фазе (в); стрелки указывают направление электрических дипольных моментов.

 

Зависимость поляризованности Р от напряженности внешнего электрического поля Е у сегнетоэлектрика нелинейная и при циклическом изменении Е имеет вид характерной замкнутой кривой, которая называется петлей гистерезиса.

 Если уменьшать поле от +Em до нуля, образец остается поляризованным. После изменения направления поля, поляризованность уменьшается, и при –Ес (коэрцитивная сила сегнетоэлектрика) Р=0, но дальше изменяется направление Р на противоположное. Площадь петли пропорциональна энергии, потраченной полем во время последнего цикла поляризации – диэлектрическим потерям.

 

 Другим характерным параметром сегнетоэлектриков есть сегнетоэлектрическая точка Кюри – температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация. Диэлектрическая проницаемость ε вещества при температуре точки Кюри максимальна. После достижения точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрический, когда диэлектрическая проницаемость резко уменьшается.

 

Сегнетоэлектрики широко используются как материалы с большим значением ε (конденсаторы, в том числе нелинейные – вариконды), как электрооптические и терморезистивные материалы, как материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, для запоминающих устройств.

 

 

3. Пъезоэлектрики - твердые анизотропные кристаллические вещества, которым свойственен пъезоэлектрический эффект – появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях кристалла вследствие механической деформации (сжимания, растяжения и др.).

 

Возникновение механических деформаций под действием электрического поля называют обратным пъезоэлектрическим эффектом.

 

Графическая иллюстрация:

 

 

Рис.2. Схема структуры кварца (а) и возникновения обратного пьезоэлектрического эффекта(б)

 

Пъезоэлектриками могут быть только ионные или сильнополярные диэлектрики. Другим необходимым условием существования пъезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика. Иначе деформация будет вызывать симметричное смещение позитивных и негативных зарядов, и электрический момент не будет возникать.

Пъезоэлектриками могут быть только вещества с высоким с высоким удельным сопротивлением.

Различают пъезоэлектри монокристаллические и пъезокерамические. Монокристаллическими есть природные и искусственно выращиваемые

кристаллы, например, кварц и сегнетова соль.

 

Графическая иллюстрация:

 

 

Рис.2.1. Схема изображения прямого пьезоэффекта, стрелкой F обозначена механическая сила, штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры после деформации пьезоэлектрика; Р - вектор поляризации

 

Рис.2.2. Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты.

 

4. Электреты – диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии (Рис.2.45) после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию, и образовывать вокруг себя электрическое поле; электрические аналоги постоянных магнитов. В качестве электрета используют монокристаллические (корунд, сера) и поликристаллические (фарфор, керамика, стекла и др.) диэлектрики, полимеры, а также воски (пчелиный и карнаубский) и природные смолы.

 

Графическая иллюстрация:

 Рис.3. Диэлектрики и электреты. а) - электрические диполи диэлектрика в отсутствие внешнего электрического поля б) - электрические диполи электрета в отсутствие внешнего электрического поля.

 

Термоэлектреты получают, нагревая диэлектрик до температуры плавления или размягчения с последующим охлаждением в электрическом поле, после охлаждения подвижность полярных молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и диэлектрик может продолжительное время сохранять остаточную поляризацию.

Фотоэлектреты получают совмещенным действием на фотопроводящий диэлектрик электрического поля и света. Свет стимулирует фотопроводимость, освобожденные светом носители зарядов смещаются внешним электрическим полем. После прекращения действия световой энергии, носители разноименных зарядов оказываются «замороженными» возле противоположных сторон диэлектрика, который становится электретом.

 Радиоэлектреты получают влиянием на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). В результате ударной ионизации поверхностного слоя или проникновения в поверхностный слой укоренных заряженных частиц на поверхности диэлектрика образуется заряженный слой.

 

Со временем заряд электрета изменяется; это связано с разрушением остаточной поляризации, освобождением носителей заряда, словленных ловушками, нейтрализацией объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика.

Электрет, который создает вокруг себя электрическое поле, подобен постоянному магниту.

 

Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и другие), а также как чувствительные датчики в дозиметрах, устройствах электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и других. Фотоэлектреты используют в электрофотографии.

 

 

5. Пироэлектрики – материалы, способные поляризоваться при нагревании либо охлаждении. Эффект возможен только тогда, когда вещество имеет спонтанную или остаточную поляризацию, которая зависит от температуры.

 

 

Графическая иллюстрация:

Рис.4. Схематическое изображение элементарной ячейки пироэлектрика; стрелки указывают направления электрических дипольных моментов.

 

Все пироэлектрики проявляют обратный эффект, то есть их температура меняется при поляризации, все они являются пъезоэлектриками.

 Эффективными пироэлектриками являются сегнетоэлектрики с точкой Кюри, близкой к комнатной температуре. К ним принадлежат кристаллы ниобата бария-стронция (Srx Ba1-xNb2O6), триглицынсульфата (ТГС), керамика ЦТСЛ(добавка лантана приближает точку Кюри к комнатной).

 

 Применяют пироэлектрики в детекторах оптических сигналов, особенно инфракрасных и тепловых датчиках.