Электричество и магнетизм
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
µе электрическое поле, он поляризуется, т.е. приобретает отличный от нуля дипольный момент
Pv=?pi ,
где pi - дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:
P=pv/V.
Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность P линейно зависит от напряженности поля E. Если диэлектрик изотропный и E не слишком велик, то
P=??0Е,
где ? - диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика, ? - величина безразмерная, притом всегда больше нуля и для большинства диэлектриков составляет несколько единиц. Например, для спирта ?=25, для воды 80.
?= ?-1,
где ? диэлектрическая проницаемость среды.
Сегнетоэлектриками называются полярные диэлектрики, которые в определенном интервале температур спонтанно поляризованы, т.е. обладают поляризованностью при отсутствии электрического поля. На границах интервала температур сегнетоэлектрик в результате фазового перехода превращается в полярный диэлектрик.
Сегнетоэлектрики характеризуются чрезвычайно большим значением диэлектрической проницаемости, порядка 104 (в то время как диэлектрическая проницаемость, например, дистиллированной воды равна 81). Величина поляризованности Р нелинейно и неоднозначно зависит от напряженности электрического поля Е. Сегнетоэлектрики способны проявлять свойство диэлектрического гистерезиса, то есть их поляризованность Р определяется не только величиной напряженности Е поля в данный момент времени, но и зависит от предыстории образца. Это явление полностью аналогично явлению ферромагнитного гистерезиса. Свое название сегнетоэлектрики получили от сегнетовой соли (NaKC4H4O64H2O), на которой впервые были обнаружены описанные выше свойства. В настоящее время известно более ста чистых сегнетоэлектриков. Среди них наиболее известным является титанат бария (BaTiO3). Если изначально сегнетоэлектрик не был поляризован, то по мере роста напряженности внешнего поля, в которое он помещается, вектор поляризации Р увеличивается, что описывается основной кривой поляризации (участок ОА, рис.1). В достаточно сильных полях процесс поляризации достигает насыщения (Р= const). Если теперь начинать уменьшать напряженность поля, то поляризация начнет убывать, но зависимость P=f(E) теперь
будет описываться участком кривой АВ. В результате при Е=0 сегнетоэлектрик будет обладать некоторой остаточной поляризацией Рост 0. Чтобы полностью деполяризовать сегнетоэлектрик, необходимо, изменив направление внешнего поля, увеличивать его напряженность до некоторой величины Ес (участок ВС кривой поляризации). Величина Ес называется коэрцитивной силой. Если продолжать увеличивать напряженность поля в направлении обратном к первоначальному, то сегнетоэлектрик вновь начнет поляризоваться до насыщения, но уже в обратном направлении (участок СD). Дальнейший ход кривой симметричен первоначальному участку АСD. Таким образом, график зависимости поляризованности от напряженности внешнего поля имеет вид петли, которую называют петлей гистерезиса.
Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры характеризуется наличием максимума при достижении температуры Тк, называемой температурой Кюри (рис.2). Выше температуры Тк , характерной для каждого сегнетоэлектрика, его сегнетоэлектрические свойства исчезают и он превращается в обычный полярный диэлектрик
В некоторых случаях имеются две точки Кюри сегнетоэлектрические свойства исчезают и при понижении температуры. Например, у сегнетовой соли имеются две точки Кюри, характеризуемые температурами 24С и -18С. Таких сегнетоэлектриков сравнительно немного. В области (Т>Тк) зависимость ? от температуры описывается формулой
?=А/(Т-Т0) , (1)
где А константа, Т0 - температура Кюри-Вейсса, близкая к температуре Кюри. Закон, выражаемый формулой 1, называется законом Кюри-Вейсса.
Среди сегнетоэлектрических кристаллов различают две группы: сегнетоэлектрики с водородными связями (сегнетова соль, NaNO3 и др.), ориентация дипольных моментов в которых связана с поворотом молекул в пространстве; сегнетоэлектрики кислородно-октаэдрического типа (BaTiO3 и др.), возникновение спонтанной поляризации которых сопровождается деформацией (растяжением) молекул.
Эти группы различаются значением константы А в законе Кюри-Вейсса и соотношением между Т0 и Тк. Для первой группы характерны значения константы А в диапазоне (1-5)103 К и Т0=Тк. Для второй группы константа А лежит в диапазоне (1-3)105 К, Т0 примерно на 10 ниже, чем Тк.
Спонтанная поляризация является источником очень больших электрических полей. Вокруг макроскопического объема сегнетоэлектрика, поляризованного спонтанно в некотором направлении, возникает электрическое поле большой энергии. Такое состояние энергетически невыгодно. Система стремится перейти в такое состояние, чтобы , с одной стороны, существовала спонтанная поляризация, а с другой стороны, энергия была бы минимально?/p>