Теоретическое введение. Диэлектрическая проницаемость e большинства кристаллических диэлектриков имеет сравнительно небольшие значения – единицы или десятки единиц

Диэлектрическая проницаемость e большинства кристаллических диэлектриков имеет сравнительно небольшие значения – единицы или десятки единиц. Значения e обычных диэлектриков практически не зависят от температуры, так как для них характерна главным образом индуцированная поляризация, которая реализуется благодаря смещению электронных оболочек в атомах.

Наряду с этим существует ряд кристаллических диэлектриков (титанат бария BaTiO₃, сегнетова соль NaKC₄H₄O₆×4H₂O и др.), диэлектрическая проницаемость которых может достигать нескольких тысяч (e~10³-10⁴). Кроме того, она является функцией напряженности внешнего электрического поля и достаточно сильно зависит от температуры. Такие диэлектрики в области температур, которая называется полярной фазой, обладают спонтанной поляризацией, т.е. имеют дипольный момент единицы объема в отсутствие электрического поля. При определенной температуре (температуре Кюри Т_с) происходит фазовый переход II рода, сопровождающийся изменением симметрии кристаллической структуры диэлектрика, и диэлектрик переходит в неполярную фазу. Диэлектрики, обладающие описанными свойствами, называются сегнетоэлектриками.

Как правило, сегнетоэлектрик имеет одну точку Кюри, ниже которой он находится в полярной, а выше – в неполярной фазе. Сегнетова соль имеет две точки Кюри: -15°С и +22,5°С, причем она ведет себя как сегнетоэлектрик лишь в температурном интервале, ограниченном указанными значениями.

Сегнетоэлектрики характеризуются доменами – областями с различными направлениями вектора поляризации . В отсутствие внешнего электрического поля суммарный дипольный момент макроскопического образца равен нулю, т.к. поляризация одних доменов компенсируется противоположной поляризацией других.

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле последний поляризуется. Вначале увеличение поляризации связано с тем, что границы между доменами смещаются так, что объемы энергетически выгодных доменов (доменов, поляризованных по полю) увеличиваются за счет доменов, поляризованных против поля, а затем, с увеличением напряженности электрического поля , за счет поворота вектора поляризации . В достаточно сильном поле достигается состояние насыщения, когда весь образец однородно поляризован по полю и его поляризация не изменяется при дальнейшем увеличении .

Известно, что вектор электрического смещения (электрической индукции) связан с вектором поляризации следующим соотношением:

, (5.1)

где e₀ – электрическая постоянная;

- напряженность электрического поля в диэлектрике.

Для обычных диэлектриков связь между и в области не слишком сильных полей линейна

=æ ,

где æ - диэлектрическая восприимчивость.

Однако у сегнетоэлектриков зависимость от - нелинейная (рис. 5.1). Следовательно, диэлектрическая восприимчивость оказывается зависящей от напряженности поля. Безразмерную величину e=1+æ называют диэлектрической проницаемостью среды.

Рис. 5.1 Рис. 5.2

При помещении сегнетоэлектрика во внешнее переменное электрическое поле доменная структура сегнетоэлектрика приводит к явлению диэлектрического гистерезиса, которое заключается в отставании изменений вектора поляризации от изменений вектора напряженности электрического поля. В результате значения поляризации Р определяются не только величиной напряженности поля Е в данный момент, но и предшествующими значениями Е, т.е. зависят от предыстории диэлектрика. При циклических изменениях поля зависимость Р от Е следует изображенной на рис. 5.2 кривой, называемой петлей гистерезиса. При первоначальном включении электрического поля поляризация растет с ростом Е в соответствии с ветвью 1 кривой. Уменьшение Р происходит по ветви 2. При обращении напряженности поля Е в нуль вещество сохраняет значение поляризации Р_о, называемое остаточной поляризацией. Только под действием противоположно направленного поля напряженностью Е_k поляризация становится равной нулю. Это значение напряженности называется коэрцитивной силой. При дальнейшем изменении Е получается ветвь 3 петли гистерезиса. Аналогичный вид имеет и зависимость D(E). Это следует из того, что при æ>>1 вектор поляризации

P= æe₀E>>e₀E.

Тогда из соотношения (5.1) получим, что D»P.

В лабораторной работе исследуется зависимость D(E) для титаната бария (BaTiO₃), являющегося сегнетоэлектриком в области температур от 5 до 120°С.