Некоторые твердые диэлектрики обладают особыми свойствами. Впервые эти свойства были обнаружены в кристаллах сегнетовой соли, представляющей собой двойную натриевокалиевую соль винной кислоты (), и поэтому все подобные диэлектрики получили название сегнетоэлектриков (в иностранной литературе их называют также ферроэлектриками). Кристаллы сегнетовой соли относятся к ромбической системе. Особенностями сегнетовой соли являются:

1. В некотором температурном интервале (от до ) ее диэлектрическая проницаемость очень велика и достигает порядка 10000.

2. Электрическое смещение D не пропорционально полю E, а это значит, что диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности поля.

3. Значение электрического смещения определяется не только значением напряженности поля, но еще зависит от предшествовавших состояний поляризации. Это явление называется диэлектрическим гистерезисом. Зависимость D от E изображена на рисунке ____. При возрастании поля возрастание смещения описывается кривой 1, которая не является линейной. Если затем уменьшать электрическое поле, то уменьшение смещения происходит по кривой 2, не совпадающей с кривой 1. Когда электрическое поле оказывается равным нулю, смещение не равно нулю. Это означает, что в сегнетовой соли имеется остаточная поляризация, и она остается поляризованной даже в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы ее уничтожить, нужно создать электрическое поле противоположного направления. Дальнейшее изменение электрического поля приводит к изменению смещения, изображенного на рисунке _____. Эта петлеобразная кривая называется петлей гистерезиса.

Описанными свойствами обладают все сегнетоэлектрики, а не только сегнетова соль.

Сегнетоэлектрические свойства зависят от температуры. При температуре выше определенной температуры (для разных сегнетоэлектриков разная), сегнетоэлектрические свойства исчезают, и сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик. Эта температура называется температурой, или точкой Кюри. В некоторых случаях, например, для сегнетовой соли, существуют две точки Кюри ( и ), и сегнетоэлектрические свойства наблюдаются только при температурах, лежащих в пределах этих точек.

Помимо сегнетовой соли, сегнетоэлектрическими свойствами обладают и другие соединения, например, фосфат калия () и арсенат калия ().

В 1944г. советский физик Б.М. Вул (1903 - 19__) с сотрудниками открыл сегнетоэлектрические свойства у титаната бария (), а кристаллы обладают высокой механической прочностью, большой химической устойчивостью, благодаря чему нашли широкое научно - техническое применение. Точка Кюри лежит около , а диэлектрическая проницаемость достигает 6000.

Установлено, что причиной сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольная поляризация сегнетоэлектриков, которая возникает под действием сильного взаимодействия между частицами. Результатом этого взаимодействия является подразделение сегнетоэлектрика на отдельные области самопроизвольной поляризации (домены). В обычном состоянии сегнетоэлектрик представляет набор доменов. В пределах каждого из них имеется свое направление спонтанной поляризации, так что в целом электрический момент сегнетоэлектрика равен нулю. Под действием внешнего электрического поля в доменах происходит изменение направления поляризации - сегнетоэлектрик приобретает электрический момент, направленный вдоль линий напряженности поля. Возникшее при этом суммарное внутреннее поле доменов поддерживает их ориентацию и после прекращения действия внешнего электрического поля.

В этом смысле свойства сегнетоэлектриков схожи со свойствами ферромагнетиков (отсюда и название ферроэлектрики).

Установлено, что в некоторых кристаллах поляризация может возникнуть, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление носит название пьезоэлектрического эффекта. Этот эффект обнаруживается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария и ряде других кристаллов.

Впервые наиболее полно пьезоэлектрический эффект был изучен у кварца (). Кристаллы кварца относятся к гексагональной кристаллической системе и имеет форму, близкую к шестигранной призме, ограниченной двумя пирамидами. Кристалл кварца имеет одну ось симметрии третьего порядка (оптическая ось) и три перпендикулярных к ней осей симметрии второго порядка, образующие между собой углы в .

При сжатии или растяжении кристалла перпендикулярно к оптической оси в нем возникает поляризация, и на поверхности кристалла появляются поляризационные заряды. При деформации вдоль оптической оси поляризации не возникает.

Пусть имеется кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к оси OX). На рисунке ось OZ - оптическая ось. При сжатии или растяжении пластинки вдоль OX на гранях и появляются разноименные поляризационные заряды - поперечный пьезоэлектрический эффект. Если заменить сжатие растяжением, то и знаки поляризационных зарядов изменятся. Опыт показывает, что знак зарядов на грани при сжатии вдоль оси OY (в поперечном эффекте) такой же, как и при растяжении вдоль оси OX (в продольном эффекте).

Величина вектора поляризации в определенном интервале изменений пропорциональна величине деформаций. Так как в области упругих деформаций величина деформации пропорциональна механическим напряжениям, то и поляризация пропорциональна механическим напряжениям.

Возникновение пьезоэлектрического эффекта можно объяснить следующим образом. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы, которые представляют собой две или несколько простых решеток. Каждая из них построена из ионов одного знака, встроенных одна в другую. При деформациях кристалла в его решетке происходят изменения двух видов: а) деформируется каждая элементарная ячейка. Например, одностороннее сжатие кубического кристалла приводит к превращению его элементарной ячейки из куба в параллелепипед; б) при деформации кристалла может происходить сдвиг простых решеток относительно друг друга, что приводит к изменению электрического момента, т.е. к пьезоэлектрическому эффекту. Сдвиги происходят в кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра симметрии. Поэтому пьезоэлектрический эффект проявляется только в кристаллах, обладающих низкой степенью симметрии.

Наряду с рассмотренным прямым пьезоэлектрическим эффектом, существует и обратный пьезоэлектрический эффект, суть которого состоит в том, что в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому если на противоположные грани кристалла подать электрическое напряжение, то под действием электрического поля кристалл поляризуется и деформируется.

Пусть пьезоэлектрическая пластинка сжимается внешними силами . Если бы пьезоэффект отсутствовал, то работа внешних сил была бы равна потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. Вследствие пьезоэффекта пластинка поляризуется, на ней появляются электрические заряды и возникает электрическое поле, в котором сосредоточена дополнительная энергия. Согласно закону сохранения энергии, это означает, что при сжатии пластинки совершается бомльшая работа, и поэтому в ней возникают дополнительные силы , которые противодействуют сжатию. Эти силы обусловлены обратным пьезоэффектом. Знак деформации при обратном пьезоэффекте зависит от направления вектора электрического поля. При изменении направления поля на противоположное, меняется знак деформации, т.е. сжатие переходит в растяжение, и наоборот.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет сходство с электрострикцией, суть которой состоит в следующем. Как известно, вследствие поляризации на каждый элемент объема диэлектрика действуют силы, что приводит к деформации диэлектрика в электрическом поле. Это явление и называется электрострикцией. Вследствие электрострикции внутри диэлектрика возникают механические напряжения, и на тело действуют дополнительные механические силы. Вообще говоря, вычисление полной силы, действующей на тело в диэлектрике, довольно сложная задача. Она упрощается, когда речь идет о жидких и газообразных диэлектриках.

Пусть два шарика с зарядами и находятся в среде с диэлектрической проницаемостью , и пусть их радиусы малы по сравнению с расстоянием r между ними. Вокруг этих шариков на поверхности диэлектрика возникают поляризационные заряды и . На второй шарик действует сила , где - напряженность поля, создаваемая разностью зарядов в области, где находится второй заряд. Величина

, (106)

Поэтому

. (107)

Следовательно,

. (108)

Аналогично

, (109)

т.е. мы пришли к известному закону взаимодействия двух точечных зарядов в диэлектрической среде - закону Кулона. Связано это с тем, что, вследствие изотропности сред и сферической формы тел, механические напряжения в диэлектрике не влияют на взаимодействие зарядов.

Сравнивая явления обратного пьезоэлектрического эффекта и электрострикции, можно сделать ряд выводов:

1) пьезоэлектрический эффект зависит от направления поля, и при его изменении изменяется знак эффекта;

2) электрострикция не зависит от направления поля;

3) пьезоэффект имеет место только у некоторых кристаллов с низкой степенью симметрии;

4) электрострикция имеет место во всех диэлектриках.

В 1757г. профессор физики Петербургской Академии наук Ф.Эпинус (1724 - 1802) открыл явление, получившее название пироэлектричества. Оказалось, что в кристалле турмалина молекулярные диполи все направлены вдоль одной из его кристаллографических осей, поэтому такой кристалл в целом всегда поляризован, даже в отсутствие внешнего электрического поля. Поляризационные заряды, которые находятся на противоположных гранях этого кристалла, притягивают заряженные пылинки и ионы, находящиеся в воздухе. Эти частицы, прилипая к граням кристалла, нейтрализуют поляризационные заряды и уничтожают поле поляризованного кристалла.

Если такой кристалл нагреть, то в результате теплового расширения поляризация единицы объема уменьшится, и компенсация поляризационного заряда нарушится. Это изменение поляризации можно обнаружить по создаваемому им электрическому полю. Явление зависимости естественной поляризации кристаллов от температуры и было названо пироэлектричеством.

Пироэлектрическими свойствами обладают ограниченное число кристаллов, имеющих очень низкую пространственную симметрию.

Среди твердых диэлектриков выделяются так называемые электреты, которые длительно сохраняют наэлектризованное состояние и в отсутствие внешнего электрического поля (являются аналогами постоянных магнитов). Это свойство обнаруживается у парафина, нафталина, эбонита, серы и др.

Электрет можно получить, нагревая диэлектрик до температуры, близкой к температуре плавления и помещая его в сильное электрическое поле. Это приводит к упорядочению молекулярных диполей, которое отчасти сохраняется после охлаждения и снятия внешнего поля. Такие электреты называют термоэлектретами. Эффекта электрета можно достичь, освещая диэлектрик светом в сильном электрическом поле. Их называют фотоэлектретами.

Отмеченные выше свойства диэлектриков находят широкое практическое применение.

Сегнетоэлектрики используются для изготовления конденсаторов большой емкости при малых размерах, в генераторах и приемниках ультразвуковых волн.

Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты применяются при конструировании пьезоэлектрических манометров, для генерации ультразвуковых волн. В генераторах ультразвуковых волн используются кварцевые пластинки или пластинки из титаната бария.

Электреты применяются как источники постоянного электрического поля. Действия электретных микрофонов, телефонов, различных вибродатчиков основано на индуцировании переменного тока в электрическом поле электрета.

Более подробно с практическим применением особых свойств диэлектриков можно ознакомиться в специальной литературе.

Задания для самоконтроля