Свойства сегнетоэлектриков

Сегнетоэлектрики обладают многими полезными свойствами:

· высокая, зависящая от внешнего электрического поля, диэлектрическая проницаемость,

· обратимая поляризация,

· «аномальные» свойства и нели­нейности,.

· прямой и обратный пьезоэлектрический эффект,

· пироэлектрический эффект.

Для характеристики свойств материала в различных условиях работы нели­нейного элемента используют понятия статической, реверсивной, эффективной и других диэлектрических проницаемостей.

Статическая диэлектрическая проницаемость определяется по основной кривой поляризации сегнетоэлектрика:

ε_ст = D/(ε₀E) = 1 + P/(ε₀E) ~ P/(ε₀E),

Реверсивная диэлектрическая проницаемость характеризует из­менение поляризации сегнетоэлектрика переменном электрическом поле при одновременном воздействии постоянного поля. Диэлектрическую проницаемость, измеряемую в очень слабых электрических полях, называют начальной.

На рис. 2.10.3 показана типичная для сегнетоэлектриков зависимость статической диэлектрической проницаемости от напряженности поля. Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние.

Рис. 2.10.3. Зависимости электрической индукции D и статической диэлект­рической проницаемости титаната бария от напряженности элект­рического поля

Эффективную диэлектрическую проницаемость , как и эффективную емкость конденсатора, определяют по действующему значению тока (несинусоидального), проходящего в цепи с нелинейным элементом при заданном действующем напряжении V с угловой частотой :

ε_эф ~ C_эф = I/(ωU),

Сегнетоэлектрики обладают спон­танной электрической поляризацией P_б, которая может быть об­ращена приложением электрического поля Е подходящей вели­чины и определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией, сопровождается диэлектрическим гистерези­сом. Петля гистерезиса обычно развертывается на экране осциллографа. На главные грани пластинок сегнетоэлектрика напы­ляют электроды.

Спонтанная поляризация обычно скомпенсирована внешними зарядами и проявляется при изменении поля или температуры. Имеются и другие «аномальные» пики, примеры которых да­ны на рис. 2.10.4.

Рис. 2.10.4. Аномалии свойств сегнетоэлектриков:

а —аномалия пьезоэлектрического коэффициента для сегнетовой соли; б — аномалия теплоемкости при сегнетоэлектрическом переходе в титанате бария (в кал/г-град); в— аномалия электрокалорического коэффициента для поликристаллического титаната бария.

Вызывающее эффект поле составляет 7,5 кВ/см.

Поляризация Р определяется как дипольный момент на еди­ницу объема, и численно равна заряду на единицу поверхности кристалла, если последняя перпендикулярна вектору Р. Поэтому Р часто выражают в микрокулонах на квадратный сантиметр (мкк/см²).

Темпера­тура Т_к такого фазового перехода получила название сегнепюэлектрической точки Кюри. В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость достигает своего макси­мального значения. Ферроэлектрические домены исчезают постепенно, когда керамика нагревается до температуры Кюри. Внезапное изменение направления поверхностных доменов наблюдается при обратном охлаждении образцов при приложении поля порядка 40 В.

На рис. 2.10.5 приведена зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температу­ры. Из рисунка видно, что при температуре порядка 120° С имеется ярко выраженная точка Кюри, ниже которой материал обладает сегнетоэлектрическими свойствами, хотя в нем и наблюдаются дополнитель­ные структурные изменения (вторичные максимумы на кривых).

Рис. 2.10.5. Диэлектрическая проницаемость титаната бария в зависимости от температуры при различной напряженности электрического поля

Большинство сегнетоэлектриков перестает быть сегнетоэлектриками выше некоторой температуры Т_С, называемой температурой перехода (Кюри).Аномальное поведение вблизи Т_С, ве­роятно, не менее важно, чем обратимая поляризация, но оно не является достаточным определением сегнетоэлектрика. При тем­пературе Т_С диэлектрическая проницаемость резко возрастает до больших значений; эти большие значения в окрестности Т_С называют аномальными значениями. Темпе­ратура перехода в спонтанно поляризованное состояние (точка Кюри) у различных сегнетоэлектриков составляет от нескольких Кельвинов (например, у Pb₂Nb₂O₇ T_k = 15 К) до полутора тысяч Кельвинов (например, у LiNbO₃ Т_к = 1483 К), а спонтанная поляризованность - от 10^-5 до 3 Кл/м²).

Переход сегнетоэлектрика в параэлектрическое состояние сопро­вождается резким уменьшением диэлектрических потерь (tg α), поскольку исчезают потери на гистерезис.

По внутреннему строению и типу хи­мической связи сегнетоэлектрики под­разделяют на ионные и дипольные, для которых характерны различные механизмы спонтанной поляризации.

Дата добавления: 2014-01-20