Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты

Особую группу кристаллических диэлектриков составляют сегнетоэлектрики, которые обладают рядом своеобразных электрических свойств. Свое название они получили от названия типичного представителя этого класса диэлектриков – сегнетовой соли (двойной натриево-калиевой соли виннокаменной кислоты), электрические свойства которой были впервые исследованы российскими учеными И. В. Курчатовым и П. П. Кобеко.

При отсутствии внешнего электрического поля в сегнетоэлектриках существуют самопроизвольно (спонтанно) поляризованные области (домены), в которых электрические моменты отдельных молекул ориентированы одинаково, но в каждом соседнем домене ориентация различна, и кристалл в целом электрическим моментом не обладает (рис. 49.1).

Внешнее электрическое поле вызывает изменение состояния поляризации кристалла сегнетоэлектрика. По мере возрастания напряженности поля идет вначале рост размеров доменов, направление моментов которых составляет меньший угол с направлением внешнего поля. При дальнейшем увеличении напряженности домены ориентируются по полю и кристалл становится однодоменным.

Переориентация доменов во внешнем поле обусловливает высокую диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектриков. В слабых полях зависимость поляризованности от напряженности поля является нелинейной ( ). При увеличении напряженности она переходит в линейную, а в сильных полях поляризованность существенно не изменяется (рис. 49.2).

Характерная особенность сегнетоэлектриков – наличие явления электрического гистерезиса. Оно заключается в том, что при изменении напряженности Е значение поляризованности Р зависит от значений этих величин в предшествующие моменты.

Сегнетоэлектрики используются при создании малогабаритных конденсаторов.

Сегнетоэлектрические свойства наблюдаются в кристаллах, как правило, при температурах ниже 400…500 К. Температура, при которой возникают или исчезают сегнетоэлектрические свойства, называется температурой Кюри (или точкой Кюри). Некоторые сегнетоэлектрики имеют несколько точек Кюри.

В сегнетоэлектриках наблюдаются прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект состоит в том, что при деформации кристаллического диэлектрика происходит его поляризация. Значение поляризованности пропорционально деформации, а знак поляризованности зависит от знака деформации (сжатия или растяжения). Наблюдается в ионных кристаллах (кварц, турмалин, сегнетова соль, титанат бария). Такие вещества называют пьезоэлектриками.

Объясняется прямой пьезоэффект перемещением ионов в кристалле при его деформации. Кристаллическую решетку ионного кристалла можно представить в виде двух решеток, одна из которых образована положительными ионами, вторая – отрицательными. При деформации кристалла происходит сдвиг этих решеток относительно друг друга и на поверхностях кристалла появляются заряды противоположных знаков. На рисунке 49.3 показан прямой пьезоэлектрический эффект на примере кристалла кварца (а) при его сжатии в двух взаимно перпендикулярных направлениях (б и в).

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что при внесении пьезоэлектрического кристалла в электрическое поле в кристалле возникают механические напряжения, под действием которых кристалл деформируется. При этом деформация пропорциональна напряженности электрического поля, а знак деформации зависит от направления вектора напряженности. Обратный пьезоэлектрический эффект объясняется действием электрического поля на ионы кристаллической решетки.

Электреты - диэлектрики, длительно сохраняющие наэлектризованное состояние и создающие электрическое поле в окружающем пространстве. Электреты являются электрическими аналогами постоянных магнитов и изготавливаются из органических (парафин, нафталин, эбонит) и неорганических (сера, титанаты щелочно-земельных металлов) диэлектриков. Стабильные элект-реты можно получить, нагревая диэлектрики до температуры меньшей или равной температуре плавления и затем охлаждая их в сильном электрическом поле. Некоторые из молекул веществ, используемых для изготовления электретов, имеют постоянные дипольные моменты. Электрическое поле ориентирует их, а при затвердевании эти моменты остаются фиксированными, сохраняя полученную ориентацию. Постоянная поляризация, приобретенная таким путем, может сохраняться в течение нескольких лет. Полученные таким способом электреты называются термоэлектретами.

Кроме того, электреты можно получить, освещая фотопроводящие диэлектрики в сильном электрическом поле (фотоэлектреты, которые на свету теряют заряды), либо радиоактивным облучением диэлектриков. Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд (не более ), время сохранения которого (время жизни электрета) колеблется от нескольких дней до многих лет. Меньшим временем жизни обладают монокристаллические электре-ты, большим – электреты из поликристаллических диэлектриков; пластические электреты менее устойчивы, чем электреты из восков и керамики. Максимальное значение поверхностного заряда электрета зависит от свойств газа, окружающего электрет, и его влажности. Соединение поверхностей электрета проводником увеличивает стабильность его заряда при хранении.

Электреты применяются как источники постоянного электрического поля в микрофонах, телефонах, электрометрах, электростатических вольтметрах и других приборах.