Диэлектрическая проницаемость и поляризация сегнетоэлектриков

Классификация диэлектриков по механизму поляризации. Величины диэлектрической проницаемости.

Различают линейные и нелинейные диэлектрики. К линейным относят такие, у которых механизм поляризации безинерционный. При отсутствии электропроводности зависимость заряда конденсатора от напряжения имеет вид... В линейных механизмы поляризации электронная и ионная, в нелинейных замедленные (релаксационные). Площадь эллипса на графике пропорциональна количеству энергии, рассеиваемой диэлектриком за один период изменения напряжения из за присутствия в нем релаксационных механизмов поляризации. У сегнетоэлектриков эта кривая имеет вид петли гистерезиса. У линейных практически нет зависимости ДП от напряженности поля. Основной вид поляризации в них - электронная. И ДП газов увеличивается с ростом ионного радиуса молекулы и присутствия в газах паров воды. ДП жидких диэлектриков зависит от полярности или неполярности молекул жидкости. У неполярных жидкостей поляризация элетктронная, ДП примерно равна 2,5. Это натуральные масла. В полярных жидкостях с дипольными молекулами поляризация обеспечивается электронным и дипольно-релаксационными механизмами, ДП зависит от размеров молекул и их числа в единице объема. Сильно полярные жидкости (вода, этиловый спирт) имеют ДП 60-80, и не могут использоваться для отмывки микросхем в технологических процессах без предварительной нейтрализации ионов. Воду дважды жистиллириуют, потом прогоняют сквозь ионно-отменные смолы (катионные и анионные). Катионные нейтрализуют все отрицательные ионы, анионные - положительные. Пригодность воды оценивается по ее удельному сопротивлению. Например 10 МОм•см. ДП твердых диэлектриков зависит от их структуры и степени полярности. У неполярных твердых с электронной поляризацией: парафин имеет ДП 2, полистерол 5, сера 4, алмаз 5,2. В твердых ионных кристаллах с электронной и ионной поляризациями ДП меняется в широких пределах: каменная соль – 6, корунд – 10, рутил – 110, титанат кальция – 150, неорганические стекла – 4-20.

Сегнетоэлектрики - группа твердых диэлектриков с ионной структурой, имеющие малые объемы (домены) с дипольным моментом как сегнетова соль. У них самопроизвольная (спонтанная) поляризация, направление который можно изменять внешним электрическим полем. Спонтанная поляризация связана с пьезоэлектрическим эффектом. Рассмотрим их на примере титаната бария. Ячейка нарисована для случая, когда температура больше температуры Кюри, те больше, чем 125 °С, тогда в вершинах куба элементарные ячейки ионы бария положительны. В гранях ионы кислорода, а в геометрическом центре куба 4-ды ионизированны ионы титана. Сумма радиусов ионов титана и кислорода меньше расстояния от грани до центра ячейки. У титана есть возможность перемещаться внутри, его тепловая энергия при Т больше, чем Т Кюри заставляет его хаотически двигаться, в среднем он в центре ячейки и дипольного момента не возникает. При Т комнатной титан кулоновскими силами притянут к одному из ионов кислорода. Ячейка вытягивается по оси титан-кислород и в ней возникает дипольный момент (в каждой ячейке). Заряжённые частицы соседних ячеек взаимодейтсвующих между собой, согласованно смещаются в одном направлении, образуя домены. Размеры доменов порядка кристалликов, те в одном домене много элементарных ячеек. У каждого домене свое направление поляризации, они уравновешивают друг друга и суммарного электрического поля вокруг себя не создают. Если приложить извне ориентирующее электрическое поле, заряды всех доменов ориентируются одинаково, они действуют как последовательно включенные батареи и формируются кристалле и вокруг него электрическое поле. В приповерхностном слое внутри титаната бария сосредоточен на одной грани +, на другой -. Через некоторое время к граням кристалла электрически притягивается отрицательные и положительные заряды извне, они компенсируют электрическое поле и оно перестает проявляться. Если присоединить электроды к граням кристалла, то разность потенциалов спадает через секунды. Происходит спонтанная поляризация и спонтанная деформация, связанные одной природой явления.

Если кристалл титаната бария сжимать по оси поляризации (в нашем случае сверху-вниз), то у него размер по направлению сжатия уменьшается, в перпендикулярном направлении расширяются. Тогда в поляризованном кристалле спонтанная поляризация уменьшается, из за уменьшения расстояний внутри каждой элементарной ячейки между ионом титана и центром ячейки. При поверхностные заряды на двух гранях кристалла после сжатия уменьшаются и некоторая часть зарядов снаружи высвобождается, тогда на присоединенных электродах появляются заряды, высвободившиеся при сжатии. Если теперь растягивать кристалл по этому же направлению, или сжимать с боков, то полярность напряжения противоположна. Напряжения, появляющиеся здесь, формируется зарядом, освободившемся при деформации пропорциональна заряду, который образовался. Если к поляризованному кристаллу приложить извне разность потенциалов, то появится индуцированная поляризация внутри кристалла, те кристалл будет изменять геометрические размеры — удлиняться или укорачиваться. Такая упругая деформация зависит от полярности внешнего напряжения. За что внутри кристалла цепляется электрическое поле? Ответ: за ионы титана, находящиеся в каждой элементарной ячейке. Величина ДП в таких структурах доходит до сотен тысяч. Почему такая большая? Она такая большая потому, что заряды, формирующие ДП, находятся в каждой элементарной ячейке.

Дата добавления: 2014-01-20