Диэлектрики – вещества, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Опыт показывает, что незаряженный первоначально диэлектрик в электрическом поле приобретает полярность: на стороне диэлектрика, в которую входят силовые линии электрического поля, возникают отрицательные заряды, на противоположной – положительные. Это явление называется поляризацией диэлектрика, а заряды называют – поляризационными.

Существует три типа диэлектриков, состоящие из неполяризованных первоначально молекул, поляризованных молекул, ионных решеток.

Неполяризованные диэлектрики состоят из молекул, центры положительных зарядов (ядра) и отрицательных зарядов (электронных оболочек) в которых совпадают, их дипольный момент равен нулю. При воздействии внешнего электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов смещаются, возникает дипольный момент. Молекулы выстраиваются в дипольные цепочки, на разных сторонах диэлектрика появляются положительные и отрицательные связанные заряды. Такая конфигурация называется электронной, степень ее зависит от свойств диэлектрика и напряженности внешнего поля.

В поляризованных диэлектриках в отсутствии внешнего поля молекулы имеют дипольный момент. Примером являются вода, ацетоны, эфир, аммиак и другие растворители. Из-за теплового движения дипольные моменты молекул ориентированы хаотично, в целом диэлектрик нейтрален. Во внешнем поле молекулы ориентируются вдоль силовых линий, а тепловое движение препятствует их ориентации. Этот вид поляризации называется ориентационным, степень поляризации зависит от свойств диэлектрика, напряженности внешнего поля и температуры.

У кристаллических диэлектриков с ионной решеткой каждая пара соседних разноименных ионов подобна диполю. Во внешнем поле оси соответствующих диполей либо удлиняются, либо укорачиваются в зависимости от их ориентации. В результате диэлектрик поляризуется. Такая поляризация называется ионной, ее степень зависит от свойств диэлектрика и напряженности внешнего поля.

Количественная характеристика поляризации диэлектрика – поляризованность P – электрический момент единицы объема: 

Атомная поляризация наблюдается у гетероатомных молекул, в которых в результате различной электроотрицательности атомов произошло перераспределение электронной плотности. В молекулах, состоящих из атомов различных элементов, электроны внешних оболочек перераспределяются между атомами, смещаясь в направлении атомов с более сильными связями. В результате такого перераспределения электронов их суммарный заряд на одних атомах становится избыточным по сравнению с зарядом ядра, а на других – недостаточным. Этот заряд называется эффективным зарядом. Суммарное значение эффективных зарядов всех атомов молекулы равно нулю. Под действием электрического поля происходит смещение атомов с отличными от нуля эффективными зарядами на них относительно друг друга. Изменяются межъядерные расстояния, и возрастает плечо диполя. Появляется тем самым индуцированный дипольный момент, который и обусловливает атомную поляризацию. Атомная поляризуемость составляет величину на порядок меньше, нежели электронная поляризуемость. Относительно меньше и скорость установления атомной поляризации, то есть сравнительно велико время её установления.

Для не слишком высоких температур, когда электронную плотность и, соответственно, межатомные силы можно считать постоянными, электронная и атомная поляризуемости не зависят от температуры. Оба эффекта обусловлены деформациями электронно-ядерной системы под действием электрического поля, и их сумма называется деформационной поляризуемостью.

 

Наряду с дипольными кристаллами без центра симметрии или обладающих выделенными полярными направлениями имеется также большое число разнообразных бездипольных диэлектрических материалов, в которых при отсутствии внешнего электрического поля поляризация отсутствует, но которые приобретают свойства, сходные со свойствами дипольных кристаллов, в том числе и остаточную поляризацию, после предварительного воздействия постоянного электрического поля.

Широкая категория материалов с атомной 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 пьезоэлектрическая керамика, пьезоэлектрические полимеры (которые могут обладать пироэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами), жидкие кристаллы, аморфные сегнетоэлектрические материалы, пьезокомпозиты, дипольные стекла и др.

В 1947-1949 годах А.В. Ржанов в СССР, а также Р. Адлер и В. Мэзон в США обнаружили, что керамический сегнетоэлектрик титанат бария BaTiO₃ под действием электрического поля приобретает остаточную поляризацию и пьзоэлектрическую активность, значительно превосходящую пьезоактивность хорошо известного в то время и широко используемого в электронной технике пьезоэлектрика - монокристалла кварца. В дальнейшем были открыты и другие керамические материалы, способные длительное время сохранять поляризованное состояние. Сегнетокерамические материалы стали принципиально новыми пьезоэлектрическими материалами, поскольку обладают довольно большим пьезоэффектом, хотя и не являются монокристаллами. Они получили название сегнетоэлектрической пьезокерамики или просто пьезокерамики. В этих терминах приставка пьезо (от греч. "пиезо" - давлю) указывает на то, что этому виду керамики присуще особое свойство - пьезоэлектрический эффект, то есть способность материала приобретать электрическую поляризацию под действием внешнего механического напряжения (прямой пьезоэффект) или, наоборот, деформироваться под действием внешнего электрического поля (обратный пьезоэффект). При до этого считалось, что таким свойством обладают только кристаллы (20 классов), в структуре которых отсутствует центр симметрии.

Что же представляет собой пьезокерамика в отличие от монокристалла? Керамика - это поликристаллическое тело, состоящее из множества беспорядочно ориентированных монокристаллических зерен (кристаллитов) размером в несколько микрометров, разделенных межзеренными границами. Таким образом, керамический материал является многофазной системой, в которой различают кристаллическую, стекловидную и газовую фазы. Кристаллическая фаза состоит из кристаллитов определенного химического состава, причем состав и структура кристаллитов предопределяют основные свойства керамического материала. Стекловидная фаза представляет собой аморфную прослойку (межзеренные границы), связывающую между собой кристаллиты. Чем выше ее содержание, тем менее выражены характерные свойства кристаллической фазы. Газовая фаза заполняет поры керамики. При высокой пористости снижаются основные технические характеристики материала. Пространственное распределение фаз или микроструктура керамики зависит от способа ее получения, марки сырьевых материалов, кинетики фазовых превращений и режимов спекания.

Керамика, изготовленная из сегнетоэлектрического вещества, не обладает пьезоэлектрическими свойствами, так как составляющие ее кристаллиты (зерна) разделены на домены, то есть области, в каждой из которых электрические дипольные моменты направлены одинаково, но отдельные домены имеют разные направления поляризации, поэтому полидоменные кристаллиты не поляризованы, и в целом поляризация керамического образца равна нулю. Более того, если даже каждый отдельный кристаллит не был бы разбит на домены, а следовательно, имел бы отличную от нуля спонтанную поляризацию и обладал сильным пьезоэффектом, то все равно керамика и в этом случае не была бы пьезоэлектрической, так как поляризация в кристаллитах направлена по разным направлениям случайным образом и вклады отдельных кристаллитов в общую поляризацию образца взаимно компенсируются.

Чтобы сделать керамику пьезоэлектрической, необходимо приложить к ней сильное электрическое поле (30-60 кВ/см), которое монодоменизирует каждый кристаллит и переориентирует полярные оси кристаллитов по направлениям, разрешенным симметрией и вместе с тем наиболее близким к направлению электрического поля. Под действием поля домены в каждом кристаллите ориентируются преимущественно в одном направлении, а после снятия поля сохраняется остаточная поляризация. В результате проведения процесса поляризации керамика ведет себя как пьезоэлектрический материал, так как теперь имеет отличную от нуля поляризацию и проявляет линейную реакцию на приложенное электрическое поле или механическое напряжение.