Пьезо- и сегнетоэлектрики

Среди диэлектриков есть кристаллы, обладающие особыми свойствами.

Пьезоэлектрики - кристаллы, которые ионизируются при механической деформации (сжатии, растяжении, сдвиге). При этом степень поляризации пропорциональна деформации.

Пьезоэлектрический эффект объясняется тем, что при деформации происходит сдвиг кристаллической решетки и у кристалла появляется дипольный момент (рис. 6).

В кристалле кварца в недеформированном состоянии дипольный момент каждой ячейки равен нулю вследствие компенсации нескольких дипольных моментов (рис. 6, а). При сжатии кристалла в направлении оси ОZ происходит небольшой поворот дипольных моментов и , из-за чего ячейка приобретает результирующий дипольный момент в направлении (рис. 6, б).

В недеформированном состоянии дипольный момент отсутствует:

В деформированном состоянии (сжатие вдоль ОZ)

.

На прямом пьезоэлектрическом эффекте основан пьезоэлектрический манометр, измеряющий давление по величине заряда, появляющегося на гранях пластинки пьезокварца. Он позволяет измерять большие (до 1000 атм) и очень быстро меняющиеся давления.

Эффект, обратный пьезоэлектрическому, заключается в малой деформации (например, сжатии или растяжении) кристалла при приложении к нему электрического поля. При этом внешнее поле, действуя на моменты и , несколько поворачивает их, деформируя ячейку, а с ней и весь кристалл.

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для воспроизведения звука и создания звука или ультразвука (при подаче на электроды, нанесенные на пластинку кварца, переменного электрического поля).

Сегнетоэлектрики - кристаллические вещества, которые могут обладать спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью в отсутствие внешнего поля. Первоначально это явление было открыто для сегнетовой соли, в связи с чем возникло такое название.

Первое детальное исследование электрических свойств сегнетовой соли было осуществлено российскими физиками И.В. Курчатовым и П.П. Кобеко.

Сегнетоэлектриками могут быть только такие кристаллические вещества, у кристаллов которых отсутствует центр симметрии (кристаллы сенетовой соли принадлежат к ромбической системе). Взаимодействие частиц в кристалле сенетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг другу. В кристалле возникают области, в пределах каждой из которых дипольные моменты параллельны друг другу, однако направления поляризации разных областей бывают различны, так что результирующий момент всего кристалла равен нулю.

Области спонтанной (самопроизвольной) поляризации называются доменами.

Под действием внешнего поля дипольные моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

Для каждого сегнетоэлектрика имеется температура (точка Кюри), при которой вещество утрачивает необычные свойства и становится обычным диэлектриком.

Для сегнетовой соли две точки Кюри: (-15⁰С и +22,5⁰С), сегнетоэлектрические свойства проявляются только в этом интервале.

Характерные особенности сегнетоэлектриков:

1. Большая величина e (несколько тысяч), для сегнетовой соли e = 10⁴. У обычных диэлектриков e порядка нескольких единиц.

2. Нелинейная зависимость .

3. Явление гистерезиса (греч. - запаздывание).

При циклических изменениях поля зависимость изображается кривой, называемой петлей гистерезиса (рис. 7).

- остаточная поляризованность, - коэрцитивная сила.

4. Наличие температуры Кюри.

Титанат бария (ВаТiО₃) - сегнетоэлектрик используется - в качестве генератора и приемника ультразвука.

Дата добавления: 2014-01-07