Сегнетоэлектрики

В 1930-1934 г. И.В.Курчатов и П.П.Кобеко обнаружили и изучили группу диэ­лектриков, обладающих необычными диэлектрическими свойствами. Первона­чально эти свойства были обнаружены в кристаллах сегнетовой соли и, поэтому, подобные по свойствам диэлектрики получили название сегнетоэлектриков (или ферроэлектриков).

Первая особенность сегнетоэлектриков заключается в том, что в некотором температурном интервале их диэлектрическая проницаемость достигает огромных значений (около 10000). Вторым важным свойством является нелинейная зависимость электрического смещения и вектора поляриза­ции от напряженности поля. Это объясняется зависи­мостью æ и e от , которая для раз­ных сегнето­электриков имеет разный харак­тер. Третья особенность сегне­тоэлектриков - это явление диэ­лектрического гистерезиса («hysteresis» по-гре­чески означает запаздывание). На рис.1.20 представлена зависи­мость численного значения век­тора поляризации от напря­женности внешнего поля . С увеличением Е значе­ние Р_е растет и достигает насыщения (в точке а). Если затем по­степенно уменьшать Е до нуля, то Р_е, уменьшаясь, достигнет значения Р_ео (остаточная поляризация). Чтобы ее снять, потребуется поле обратного направле­ния (-Е_к). Величина Е_к назы­вается коэрцитивной силой. При дальнейшем цикличе­ском изменении напряжен­ности электрического поля зависимость Р_е от Е описывает­ся петлеобразной кривой - петлей гистерезиса (рис.1.20). Свойства сегнетоэлектриков сильно зависят от температуры. При температу­рах, превышающих определенное значение Т_к, сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик, то есть он утрачивает все характерные для него свойства. Эта температу­ра называется точкой Кюри. В некоторых случаях, как, например, для сегнетовой соли, существуют две температуры Кюри (+24°С и -18°С) и сегнетоэлек­трические свойства наблюдаются лишь в этом интервале. Наличие одной или нес­кольких точек Кюри является четвертым характерным свойством всех сегнетоэлек­триков. Превра­щение сегнетоэлектрика в обычный диэлектрик при Т=Т_к сопровож­дается фазовым переходом II рода. Вблизи точки Кюри наблюдается резкое возрас­тание теплоемкос­ти вещества.

Причиной описанных сегнетоэлектрических свойств является самопроизволь­ное возникновение макроскопических областей, в которых дипольные моменты от­де­льных молекул ориентированы одинаково при отсутствии внешнего электричес­кого поля. Области самопроизвольной поляризации называются доменами (рис.1.21).

Рис.1.21. Области самопро­извольной поляризации (домены) в сегнетоэлек­трике.

В ка­ждой соседней области (домене) ориентация диполей различна и кристалл в це­лом дипольным моментом не обладает. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее элек­трическое поле начинают ориентироваться по полю сразу целые поляризован­ные области. Поэтому даже в слабых электрических полях сегнетоэлектрик обладает высокой диэлектриче­ской проницаемостью e. Эффект «запаздывания» Р_е от Е (рис.1.20) и наличие остаточной поляризации при сня­тии внешнего поля обусловлены трудностями переори­ентации, т.е. превращения полнос­тью поляризованного вещества в исходное состояние, имеющее доменное строение.

Сегнетоэлектрики имеют большое практическое значение в современной электро- и радиотехнике. На­пример, титанат бария, обладающий высокой химической устойчивостью, механи­че­ской прочностью и способностью сохранения сегнетоэлектрических свойств в широ­ком температурном интервале, широко применяется в качестве генератора и прием­ника ультразвуковых волн. Огромные значения e у сегнетоэлектриков дали возмож­ность применять последние при изготовлении конденсаторов. Резкое изменение проводимости вблизи фазового перехода в некоторых сег­не­тоэлектриках используется для контроля и измерения температуры.

Все сегнетоэлектрики являются хорошими пьезоэлектриками (см. раздел 1.15.6), что позволяет их использовать в детекторах электромагнитных волн.