Диэлектрические свойства титаната бария
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
вляется остаточная магнитная поляризация (момент), в сегнетоэлектрических диэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникает остаточная электрическая поляризация.
Микроскопической причиной сегнетоэлектричества является наличие внутри вещества атомных (или молекулярных) диполей. Эти диполи ориентируются внешним электрическим полем и остаются ориентированными после снятия поля; переключение направления поля на противоположное приводит к обратной ориентации диполей. Принципиальное отличие сегнетоэлектричества от ферромагнетизма состоит в том, что свободные электрические заряды могут экранировать электрические поля, создаваемые электрическими диполями, а это затрудняет прямое наблюдение статической поляризации.
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация - это поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектрике без внешних воздействий. Объем сегнетоэлектрика разделен на домены - области с различным направлением векторов спонтанной поляризации Ps. В результате этого суммарная поляризованность образца в целом равна нулю (как и намагниченность ферромагнетиков). Зависимость поляризованности Р от напряженности поля Е в сегнетоэлектриках нелинейна и при циклических изменениях Е имеет вид петли гистерезиса (рис.1.3.2.1).
Рис.1.3.2.1 Петля гистерезиса идеального сегнетоэлектрика
При Е=0 поляризованность однодоменного образца равна Ps или - Ps. С увеличением напряженности поля, приложенного по направлению Ps, Р линейно растет за счет обычных механизмов индуцированной поляризации (электронного, ионного, дипольного). Если же прикладывать электрическое поле противоположного знака, то при некоторой его напряженности Ec произойдет переполяризация - изменение направления вектора Ps на противоположное. Напряженность поля, при которой происходит изменение направления спонтанной поляризованности, называется коэрцитивной силой (как и в магнитных явлениях).
Площадь петли гистерезиса равна работе электрических сил, затрачиваемой в пределах одного цикла перехода сегнетоэлектрика между двумя эквивалентными состояниями поляризации противоположного знака.
Наличие петли гистерезиса - одно из основных свойств сегнетоэлектриков, отличающее их от других классов диэлектриков. По значению коэрцитивной силы сегнетоэлектрики делят на сегнетомягкие (Ec 1 МВ/м).
Хотя образование петли гистерезиса является свидетельством наличия сегнетоэлектричества, во многих сегнетоэлектрических веществах она возникает лишь при определенных условиях, а иногда и вообще не наблюдается. Подобные трудности характерны для материалов с высокими диэлектрическими потерями и очень большими коэрцитивными полями. В этих случаях для выявления сегнетоэлектричества используются другие эффекты, в частности пироэлектрический эффект (зависимость вектора поляризации от температуры), зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, наличие доменной структуры, особенности кристаллической структуры и динамики решетки
Другое отличительное свойство сегнетоэлектриков - сегнетоэлектрическая (в отличие от магнитной) точка Кюри. Это температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. После достижения точки Кюри происходит фазовый переход (первого рода, второго рода, размытый) из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, когда Ps=0. При этом изменяются симметрия кристалла, параметры элементарной ячейки, а значения диэлектрических, упругих, пьезоэлектрических и других характеристик имеют резкие максимумы и минимумы.
Конечно, существенную роль играют не только силы дальнодействия, т.е. дипольные силы, но и силы близкодействия. Спонтанная поляризация возникает только в том случае, если упругая составляющая возвращающей силы, возникающей при смещении ионов, меньше дипольных сил. В отличие от сегнетоэлектриков, в которых ионы одного вида при температуре ниже температуры фазового перехода смещаются в пределах домена в одном направлении, в антисегнетоэлектриках ионы одного сорта смещаются антипараллельно и спонтанная поляризация в таких кристаллах равна нулю. (Рис.1.3.2.2)
Рис 1.3.2.2 Модели сегнетоэлектрика.
а - антисегнетоэлектрик; б - нормальный сегнетовлектрик.
При спонтанной поляризации сегнетоэлектриков спонтанная поляризованность Ps складывается из электрических моментов Pi элементарных ячеек кристалла, имеющихся во множестве в единице объема:
(1.3.2.1)
При температуре выше точки Кюри моменты Pi равны нулю или направлены хаотично (при наличии дипольной поляризации), так что
(1.3.2.2)
При понижая температуры ниже точки Тк, появляются электрические моменты, которые выстраиваются в строгом порядке.
Когда диэлектрик находится в плоском конденсаторе с расстоянием между обкладками h и напряжением U, напряженность электрического поля, действующего на частицу внутри диэлектрика, не равна напряженности внешнего поля Е=U/h, так как она, поляризуя окружающие частицы, превращает их в диполи, каждый из которых обладает собственным электрическим полем. Напряженность локального (местного) поля равна векторной сумме напряженностей внешнего электрического поля и полей всех диполей:
(1.3.2.3)
Напряженность поля i-го диполя Ei прямо пропорциональна его дипольному моменту Pi. Сумма Ei пропорциональна
(1.3.2.4)
т.е.
(1.3.2.5)<