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.