|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Параэлектрический эффект |
 |
Нелинейная зависимость поляризации диэлектрика от электрического поля, проявляющаяся в слабых полях
Описание
ФО насыщеннее и полнее! А количественные хар-ки? Условно-постоянные и условно-переменные и связи??
Нелинейная зависимость поляризации диэлектрика от электрического поля, проявляющаяся в слабых полях Диэлектрики – тела, плохо проводящие ток. В диэлектриках в отличие от проводников практически нет свободных зарядов, способных перемещаться на значительные расстояния по всему объему тела.
Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул (к такому типу диэлектриков относят все газовые диэлектрики, жидкие диэлектрики, а также часть твердых), либо из заряженных ионов, размещенных в узлах кристаллической решетки в определенных положениях равновесия. Ионные решетки могут быть разбиты на элементарные ячейки, каждая из которых содержит равное количество положительных и отрицательных зарядов и в целом нейтральна. Таким образом, в целом можно определить диэлектрик как вещество, построенное из нейтральных молекул, причем в случае ионной решетки под нейтральной молекулой следует понимать элементарную ячейку.
Под воздействием внешнего электрического поля заряды, входящие в состав диэлектрика не срываются полем со своих мест, образуя электрический ток, а лишь смещаются на незначительные расстояния в некоторые новые равновесные положения.
Поскольку равнодействующая электрических сил однородного электрического поля на нейтральную молекулу равна нулю, центр тяжести молекулы в этом поле остается неподвижным. Но в молекуле диэлектрика существуют частицы противоположных знаков, на них по отдельности действует электрическое поле, и они смещаются в противоположные стороны, вследствие этого молекула деформируется (поляризуются).
Существуют вещества с метастабильной электрической поляризацией, в которых внешним электрическим полем можно индуцировать поляризацию и которая будет сохраняться хотя бы частично после снятия внешнего поля (нелинейная зависимость). Широкая категория материалов с метастабильной поляризацией включает в себя как кристаллические, так и аморфные или стеклоподобные диэлектрики, поляризация которых может возникать вследствие вызванного электрическим полем выстраивания диполей в направлении поля или из-за захвата ионов и электронов локальными центрами в процессе электрической поляризации. К таким веществам относятся электреты, пьезоэлектрическая керамика, пьезоэлектрические полимеры (которые могут обладать пироэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами), жидкие кристаллы, аморфные сегнетоэлектрические материалы, пьезокомпозиты, дипольные стекла и другие.
Поляризация диэлектриков.
В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы), или распределены по направлениям в пространстве хаотическим образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.
Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется. Это означает, что результирующий электрический момент диэлектрика становится отличным от нуля. В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, естественно взять электрический момент единицы объема. Если поле или диэлектрик (или оба они) неоднородны, степень поляризации в разных точках диэлектрика будет различна. Чтобы охарактеризовать поляризацию в данной точке, нужно выделить заключающий в себе эту точку физически бесконечно малый объем ΔV (физически бесконечно малым называют такой объем, который содержит достаточное для усреднения количество молекул и вместе с тем настолько мал, что макроскопические величины — плотность, температура, напряженность поля Е и т. д.— можно считать в его пределах постоянными), найти сумму ∑ pi моментов, заключенных в этом объеме молекул, и взять отношение
Р = ∑ pi / ΔV (1)
Величина Р, определяемая формулой (1), называется вектором поляризации диэлектрика. Дипольный момент рi имеет размерность q[L]. Следовательно, размерность Р равна q[L]-2, т. е. совпадает с размерностью ε0Е .
У диэлектриков любого типа (кроме сегнетоэлектриков) вектор поляризации связан с напряженностью поля в той же точке простым соотношением
Р = χ ε0 Е , (2)
где χ — не зависящая от Е величина, называемая диэлектрической восприимчивостью диэлектрика (Мы ограничимся рассмотрением лишь изотропных диэлектриков). Размерность Р и ε0 Е, как мы видели, одинакова. Следовательно, χ — безразмерная величина.
Для диэлектриков, построенных из неполярных молекул, формула (2) вытекает из следующих простых соображений. В пределы объема ΔV попадает количество молекул, равное n ΔV, где n - число молекул в единице объема. Таким образом,
∑ pi = n ΔV β ε0Е .
Разделив это выражение на ΔV, получим вектор поляризации
Р = n β ε0Е.
Наконец, введя обозначение
χ = n β , (3)
приходим к формуле (2).
В случае диэлектриков, построенных из полярных молекул, ориентирующему действию внешнего поля противится тепловое движение молекул, стремящееся разбросать их дипольные моменты по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация дипольных моментов молекул в направлении поля. Соответствующий статистический расчет показывает в согласии с опытом, что при неизменной температуре вектор поляризации пропорционален напряженности поля, т. е. приводит к формуле (2). При постоянной напряженности поля вектор поляризации диэлектриков, построенных из полярных молекул, уменьшается с повышением температуры. Диэлектрическая восприимчивость таких диэлектриков обратно пропорциональна абсолютной температуре,
В ионных кристаллах, как известно, отдельные молекулы утрачивают свою обособленность. Весь кристалл представляет собой как бы одну гигантскую молекулу. Решетку ионного кристалла можно рассматривать как две вставленные друг, в друга решетки, одна из которых образована положительными, а другая отрицательными ионами. При действии на ионы кристалла внешнего поля обе решетки сдвигаются друг относительно друга, что приводит к поляризации диэлектрика. Вектор поляризации и в этом случае связан с напряженностью поля соотношением (2).
Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Это явление было открыто первоначально для сегнетовой соли (так называют двойную калиево-натриевую соль винной кислоты KNaC4Н4O6 ·4Н2О ), в связи с чем все подобные вещества получили название сегнетоэлектриков. Первое детальное исследование электрических свойств сегнетовой соли было осуществлено советскими физиками И. В. Курчатовым и П. П. Кобеко.
В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под действием внутренних процессов в диэлектрике. Направление электрических моментов у разных доменов различно. Поэтому суммарная поляризованность образца в целом может быть равна нулю. В принципе, если кристалл имеет малые размеры, то он может состоять из одного домена. Однако крупные образцы всегда разбиваются на множество доменов, поскольку однодоменное состояние энергетически невыгодно. Разбиение на домены уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика.
Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов доменов, что создаёт эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотни тысяч). Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счёт смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.
Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля. Причём при воздействии слабого поля происходит обратимый процесс смещения доменных границ. В области более сильных полей смещение доменных границ носит необратимый характер. При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, у которых вектор спонтанной поляризации образует наименьший угол с направлением поля. При некоторой напряженности поля все домены оказываются ориентированными по полю. Наступает состояние технического насыщения.
Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то индукция в ноль не обратится. При воздействии полем противоположного знака индукция быстро уменьшается и при некоторой напряженности поля изменяет своё направление. Дальнейшее увеличение напряженности поля вновь приводит образец в состояние технического насыщения. Это значит, что переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом.
Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратой энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли прямо пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период.
Совокупность вершин петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.
Нелинейность поляризации по отношению к полю, и наличие гистерезиса обусловливают зависимость диэлектрической проницаемости и ёмкости сегнетоэлектрического конденсатора от режима работы. Для характеристики свойств материала в различных условиях работы нелинейного элемента используют понятия статистической, реверсивной, эффективной и других диэлектрических проницаемостей.
Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей:
1. В то время, как у обычных диэлектриков ε составляет несколько единиц, достигая в виде исключения нескольких десятков (у воды, например, ε = 81), диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков бывает порядка нескольких тысяч.
2. Зависимость D от Е не является линейной, следовательно, диэлектрическая проницаемость оказывается зависящей от напряженности поля (ветвь 1 на кривой рис. 1).
График зависимости P от Е
Рисунок 1
3. При изменениях поля значения вектора поляризации Р (а, следовательно, и D) отстают от напряженности поля Е, в результате чего Р и D определяются не только величиной Е в данный момент, но и предшествующими значениями Е, т. е. зависят от предыстории диэлектрика. Это явление называется гистерезисом (от греческого «гистерезис» - запаздывание). При циклических изменениях поля зависимость Р от Е следует изображенной на рис. 1 кривой, называемой петлей гистерезиса. При первоначальном включении поля поляризация растет с Е в соответствии с ветвью кривой 1. Уменьшение Р происходит по ветви 2. При обращении Е в нуль вещество сохраняет значение поляризации Рr , называемое остаточной поляризацией. Только под действием противоположно направленного поля напряженности Eс поляризация становится равной нулю. Это значение напряженности поля называется коэрцитивной силой. При дальнейшем изменении Е получается ветвь 3 петли гистерезиса и т. д.
Поведение поляризации сегнетоэлектриков аналогично поведению намагничивания ферромагнетиков. По этой причине сегнетоэлектрики еще называют ферроэлектриками. Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические вещества, причем такие, у которых отсутствует центр симметрии. Так, например, кристаллы сегнетовой соли принадлежат к ромбической системе. Взаимодействие частиц в кристалле сегнетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг другу. В исключительных случаях одинаковая ориентация дипольных моментов распространяется на весь кристалл. Обычно же кристалл распадается на области, в пределах каждой из которых дипольные моменты параллельны друг другу, однако направления поляризации разных областей бывают различными, так что результирующий момент всего кристалла может быть равен нулю. Области спонтанной поляризации называются также доменами. Под действием внешнего поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.
Для каждого сегнетоэлектрика имеется температура, выше которой вещество утрачивает необычные свойства и становится нормальным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри. Сегнетова соль имеет две точки Кюри: при — 15°С и +22,5°С, причем она ведет себя как сегнетоэлектрик лишь в температурном интервале, ограниченном указанными значениями. При температуре ниже —15°С и выше +22,5°С электрические свойства сегнетовой соли обычны.
Очень важное практическое значение имеет открытый советским физиком Б. М. Вулом и его сотрудниками сегнетоэлектрик- метатитанат бария (ВаТiO2), точка Кюри которого равна 125°С.
Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Некоторые кристаллы, не имеющие центра симметрии (в том числе все сегнетоэлектрики), при деформации поляризуются. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом или просто пьезоэлектрическим эффектом. Величина поляризации пропорциональна деформации, а, следовательно, в пределах упругости и механическому напряжению. При изменении знака деформации знак поляризации меняется также на обратный.
Важнейшими пьезоэлектриками (т.е. пьезоэлектрическими кристаллами) являются кварц, сегнетова соль, метатитанат бария и др.
Кристаллы кварца принадлежат к гексагональной системе. Если вырезать из кристалла кварца пластинку, перпендикулярную к кристаллографической оси а, и подвергнуть ее сжатию вдоль этой оси, то на гранях пластинки появляются связанные заряды (на рис. 2 пластинка расположена так, что кристаллографическая ось с направлена на нас). То же самое происходит, если пластинку подвергнуть растяжению вдоль оси 00, перпендикулярной к кристаллографическим направлениям а и с. В последнем случае эффект называют поперечным, в первом случае- продольным. При изменении знака деформации (т. е. при растяжении вдоль а или сжатии вдоль 00) на гранях пластинки появляются связанные заряды другого знака. Для практического использования пьезоэлектрического эффекта на грани пластинки накладывают металлические обкладки. Если эти обкладки включить в замкнутую цепь, то при изменениях деформации кристалла в цепи будут возникать импульсы тока. Такие процессы протекают, например, в пьезоэлектрическом микрофоне- знакопеременная деформация пластинки под действием звуковой волны преобразуется в переменный ток той же частоты.
Пример пластинки
Рисунок 2
Пьезоэлектрический эффект имеет следующее объяснение. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких образованных разными атомами или группами атомов более простых решеток, вставленных друг в друга. Если кристалл не имеет центра симметрии, то при деформации происходит сдвиг простых решеток друг относительно друга, который может вызвать появление у кристалла электрического момента.
Наряду с описанным выше прямым эффектом, у пьезоэлектрических кристаллов наблюдается обратный эффект, заключающийся в том, что поляризация под действием электрического поля сопровождается механическими деформациями кристалла. Таким образом, если на металлические обкладки изображенной на рис. 2 пластинки подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно растягиваться и сжиматься вдоль оси а (одновременно происходят сжатие и растяжение вдоль оси 00), т. е. в ней возбудятся механические колебания. Эти колебания станут особенно интенсивными, если частота переменного напряжения совпадает с собственной (резонансной) частотой пластинки.
Такие настроенные в резонанс пьезоэлектрические пластинки используются для возбуждения ультразвуковых волн, для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике и т. п.
Обратный пьезоэлектрический эффект следует отличать от электрострикции, которая имеет место во всех диэлектриках—твердых, жидких и газообразных. Пьезоэлектрический эффект возникает только в некоторых кристаллах. Далее, деформация при электрострикции зависит от поля квадратично и при изменении направления поля знака не меняет. Пьезоэлектрический эффект зависит от поля линейно и при изменении направления поля меняет знак.
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
Применение эффекта
По сравнению с магнитострикционными и пьезоэлектрическими управляющими приводами электрострикционные устройства выгодно отличаются малым электромеханическим гистерезисом, отсутствием старения, экономичностью и безынерционностью и могут применяться для создания различных исполнительных устройств и механизмов, используемых в адаптивной оптике, точной механике и электронике.
Реализации эффекта
В настоящее время электрострикционная сегнетокерамика в основном применяется в исполнительных механизмах для создания точных перемещений. Такого типа приводы обеспечивают стабильное перемещение до 80 мкм при управляющем напряжении до 800 В.
Литература
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учеб. для студ. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1986. Стр. 262.
2. Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество –М.: «Наука», Главная редакция физматлитературы, 1970. -стр. 52-70, 77-80.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. III . Электричество. –М.: Наука, 1979.–стр. 162-173.
4. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. М.: Радио и связь, 1989.
5. Барфут Дж., Тэйлор Дж. Полярные диэлектрики. М.: Мир, 1981.
6. Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные материалы. М.: Мир, 1981.
7. Струков Б.А. Сегнетоэлектричество. М.: Наука, 1979
