73889

Электромеханические свойства диэлектриков

Доклад

Физика

Электромеханические свойства диэлектриков Из электрических откликов отметим в первую очередь поляризацию вследствие которой диэлектрик приобретает удельный электрический момент называемый также поляризованностью Pn.

Русский

2014-12-21

88.5 KB

1 чел.

5. Электромеханические свойства диэлектриков

Из электрических откликов отметим в первую очередь поляризацию, вследствие которой диэлектрик приобретает удельный электрический момент, называемый также поляризованностью Pn.

В первом приближении величина поляризованности прямо пропорциональна электрическому полю Pn = nmEm, где o = 8,854.10-12Ф/м - электрическая постоянная, а nm – тензор диэлектрической восприимчивости (второго ранга).

Зависимость Р(Е), характеризующая явление поляризации, графически показана на рис. 2.13а.  Поляризация относится к обратимым явлениям, поскольку после выключения электрического поля в диэлектрике обычно восстанавливается неполяризованное состояние. В сильных электрических полях (как видно из рис. 2.13,а) пропорциональность Р и Е нарушается вследствие диэлектрической нелинейности, которая в принципе может быть учтена зависимостью nm = nm(Em).

Вторым по значимости явлением, возникающим во всех диэлектриках при воздействии на них электрического поля (см. табл. 2.1), является электропроводность. Если электрическое поле невелико, то плотность возникающего тока пропорциональна полю jn = nmEm, где nm  тензор удельной объемной проводимости (или просто «проводимости»). Электропроводность относится к явлениям переноса, т.е. к необратимым явлениям.

На проводимость магнитных диэлектриков могут существенно влиять магнитное поле и механическое воздействие, приводя соответственно к магниторезистивным и тензорезистивным эффектам. Возрастание проводимости в сильном электрическом поле может вызывать нарушение электрической прочности диэлектрика (устойчивого состояния с малой и неизменной во времени электропроводностью). Быстрый рост nm(Em) приводит к электрическому пробою, когда электрический ток за счет ударной ионизации электронов возрастает в миллиарды раз, разрушая диэлектрик и превращая его в проводник тока.

Рассмотрим различные механические эффекты, возникающие под действием электрического поля, приложенного к диэлектрику. Во всех диэлектриках во внешнем поле возникает электрострикция деформация, пропорциональная второй степени электрического поля:  xkl = RklmnEmEn, где Rklmn тензор электрострикции. Электрострикция, как и поляризация, является обратимым эффектом при выключении поля деформация исчезает.

В твердых диэлектриках, обладающих за счет внутренних электрических полей нецентросимметричной структурой, электрострикционное деформированное состояние является основным и равновесным в отсутствии приложенного поля. В этом случае во внешнем поле наблюдается линейный электромеханический эффект, при котором деформация пропорциональна первой степени поля (нечетный эффект): xkl  = dklmEm, где dklm  тензор третьего ранга -  пьезомодуль  (см. табл. 2.5).

Пьезоэлектрический эффект обратим и является линейным: при Em= 0 деформация xkl = 0.  Таким образом, полный электромеханический эффект, т.е. деформация диэлектрика при воздействии на него электрического поля, в случае нецентросимметричного диэлектрика состоит из линейной и квадратичной частей:

xkl = dklmEm+ RklmnEmEn.


28.
 Физические основы сегнетоэлектричества

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. Поляризацию обычно измеряют по так называемой петле гистерезиса. Петля гистерезиса, представленная на рис. 1, характеризуется двумя величинами: остаточной поляризацией P (любого знака), имеющейся даже при нулевом поле E, и коэрцитивным полем Ec, при котором вектор поляризации изменяет направление на обратное. Площадь петли гистерезиса равна работе электрических сил, затрачиваемой в пределах одного цикла перехода сегнетоэлектрика между двумя эквивалентными состояниями поляризации противоположного знака.

Для выявления сегнетоэлектричества используются другие эффекты, в частности пироэлектрический эффект (зависимость вектора поляризации от температуры), зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, наличие доменной структуры (см. ниже), особенности кристаллической структуры и динамики решетки.

Кристаллическая структура BaTiO3 изображена на рис. 2. Она достаточно проста для исследования методом рентгеноструктурного анализа и дала первую детальную картину атомных смещений, сопутствующих установлению сегнетоэлектричества. Выше температуры Кюри Тс (135° С) кристалл имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При температуре, равной Тс, ион титана скачком смещается вдоль одной из осей куба (рис. 3), в результате чего возникает тетрагональная структура. Соседние ионы титана смещаются в том же направлении, что и приводит к появлению макроскопической поляризации, т.е. сегнетоэлектричеству. При температурах ниже комнатной по мере того, как ионы Ti смещаются вдоль других осей куба, происходят два дальнейших фазовых перехода в орторомбическую и ромбоэдрическую структуры.

В кубической структуре шесть главных направлений вдоль ребер куба эквивалентны друг другу, а потому понятие тетрагонального искажения в равной мере пригодно по отношению к любому из них. В только что выращенном кристалле отдельные области, «домены», имеют разные направления поляризации. Эти домены часто выявляются в поляризованном свете, поскольку оптические свойства домена обладают той же симметрией, что и локальная кристаллическая структура. Ширина границ между доменами («доменных стенок»), как правило, не превышает нескольких элементарных ячеек.

Поскольку многие сегнетоэлектрические соединения обладают сходными структурами, можно образовать твердые растворы из двух или более таких веществ. Подобные растворы часто отличаются по своим свойствам от их ингредиентов; в частности, точка Кюри оказывается размытой, так что сегнетоэлектрический переход происходит постепенно в широком диапазоне температур и диэлектрическая проницаемость в этом диапазоне обнаруживает сложное поведение релаксационного характера. Такие переходы обычно называют диффузными, и соответствующие микроскопические процессы весьма интенсивно исследуются.

Сегнетоэлектрические свойства обнаруживают не только твердые кристаллические вещества. Некоторые жидкие кристаллы и полимерные материалы тоже являются сегнетоэлектриками. В смектических жидких кристаллах молекулярная структура такова, что киральные центры (молекулярные диполи) соседних молекул благодаря стерическим взаимодействиям между молекулами ориентированы почти параллельно. Внешнее электрическое поле изменяет направление этих диполей на обратное за счет молекулярных вращений.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46545. Методика организации уроков по рисованию с натуры 19.74 KB
  Методика организации уроков по рисованию с натуры. План : рисование с натуры в содержании программы по изо под ред Неменского задачи рисования с натуры структура урока рисования с натуры возрастные особенности организации уроков вывод. 1Рисование с натуры рисунок и живопись включает в себя также рисование по памяти и по представлению объектов действительностл карандашом а также акварельными и гуашевыми красками пером и кистью. Задачи: Рисование с натуры активизирует умственную деятельность это не созерцание а пониятие о предмете...
46546. Острая эмпиема плевры. Диагностика. Современные принципы лечения 19.74 KB
  Альвеококкоз печени. Альвеококкоз Альвеококкоз альвеолярный эхинококкоз печени тяжелое длительно протекающее заболевание которое вызывается ленточным гельминтом lveococcus multiloculris. Личинка альвеококка паразитирующая у человека представляет собой множество мелких заполненных жидкостью пузырьков не более 36 мм в диаметре окруженных фиброзной тканью Обычно среди полного здоровья обнаруживается очень плотная увеличенная печень или каменистая опухоль в области печени. Наиболее часто среди них встречается обтурационная желтуха...
46547. Виды стоимости земли, используемые в процессе оценки 19.79 KB
  При проведении оценки земли используются следующие виды стоимости: рыночная ликвидационная и инвестиционная стоимость. Рыночная стоимость земли определяется как наиболее вероятная цена по которой данная земля может быть отчуждена на открытом рынке в условиях конкуренции когда стороны сделки действуют разумно располагая всей необходимой информацией а на величине сделки не отражаются какиелибо чрезвычайные обстоятельства то есть когда: стороны сделки хорошо осведомлены о предмете сделки и действуют в своих интересах; одна из сторон...
46549. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АТП НА АВТОМОБИЛЕЙ 1.67 MB
  Важнейшими направлениями в проектировании должны быть типизация проектных решений на базе унификации объемно-планировочных решений, а также широкое применение типовых проектов. В целях сокращения трудоемкости и сроков проектирования, повышения экономичности проектных решений,
46550. Общая характеристика ФЗ "об окружающей среде" 19.85 KB
  Общая характеристика ФЗ об окружающей среде Определенный комплекс мер соответствующий законодательным нормам и принципам предназначенный для ограничения отрицательного влияния деятельности человека на природу называется – охрана окружающей среды или в научной сфере – прикладной экологией. Стоит отметить что проблема загрязнения окружающей среды несмотря на серьезную борьбу с ней с каждым днем становится все сильней Законодательная база в сфере охраны окружающей среды весьма широка. В отличие от осуществления деятельности в области...
46551. Система планов на предприятии и их взаимосвязь 41 KB
  ехнико-экономическое планирование предусматривает разработку целостной системы показателей развития техники и экономики предприятия в их единстве и взаимозависимости как по месту, так и по времени действия. В ходе данного этапа планирования обосновываются оптимальные объемы производства на основе учета взаимодействия спроса и предложения на продукцию и услуги
46552. Основные закономерности изнашивания. Работоспособность деталей и узлов машин 19.89 KB
  Виды изнашивания в машинах Механическое изнашивание изнашивание в результате механических воздействий. Абразивное изнашивание механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Абразивная эрозия гидро и газоабразивное изнашивание основной вид изнашивания деталей насосов трубопроводов арматуры дымососов вентиляторов эжекторов пескоструйныхаппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц увлекаемых потоком жидкости или газа. Усталостное изнашивание часто является...