К другим разделам курса физики, электротехники

Электротехника

Примеры решения задач
Ядерная физика
Законы Ома
Лабораторные работы
Электротехника

Лабораторные

Материалы
Задачи по физике

Методика выполнения лабораторных работ по электротехнике

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют кристаллические диэлектрики, которые обладают поляризованностью даже при отсутствии внешнего электрического поля (спонтанно, то есть самопроизвольно, поляризованы).

Это явление было первоначально открыто в 1921 году у сегнетовой соли NaKC4H4 .4H2O, давшей название всему классу веществ с подобными свойствами. К сегнетоэлектрикам относятся метатитанат бария BaTiO3, ниобат лития LiNbO3, триглицинсульфат (NH2CH2COOH)3 .3H2SO4 и др.

Первое детальное исследование свойств сегнетоэлектриков было осуществлено И.В. Курчатовым, П.П. Кобеко -(сегнетова соль), а также Б.М. Вулом - (титанат бария).

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей:

сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли 104, для титаната бария 1200); В трехфазную трехпроводную цепь с симметричным линейным напряжением UЛ=120 В включены треугольником активные сопротивления RAB=5 Ом, RBC=9 Ом и RCA=12 Ом. Определить фазные и линейные токи, активную мощность всей цепи и каждой фазы в отдельности. Построить векторную диаграмму цепи. Расчет электротехнических цепей Лабораторные работы и решение задач

зависимость поляризованности Р (а, следовательно, и электрической индукции D ) от напряженности поля Е является нелинейной, т.е. диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от напряженности поля;

всем сегнетоэлектрикам, так же как и ферромагнетикам, свойственно явление гистерезиса, т.е. запаздывание изменений значения поляризованности Р и электрической индукции D от изменений напряженности поля Е. Зависимости P = F(E) и D = F(E) имеют вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость электрической индукции от напряженности внешнего поля

С увеличением напряженности поля Е индукция D в неполяризованном образце возрастает по кривой oam до насыщения в точке a (вершина петли гистерезиса). Рост индукции на этом участке кривой обусловлен спонтанной поляризацией. Дальнейшее возрастание напряженности поля (Е > Eа) приводит к росту индукции, обусловленной электронной поляризацией молекул сегнетоэлектрика ( участок am ).

Если при достижении Е = Еm начать уменьшать напряженность поля, то индукция D будет уменьшаться не по кривой mao, а по кривой mabc. Следует обратить внимание, что при отсутствии внешнего поля, то есть при Е = 0 сегнетоэлектрик не возвращается в прежнее неполяризованное состояние, а сохраняет остаточную индукцию Dk, обусловленную остаточной спонтанной поляризованностью (отрезок оb).

Для деполяризации сегнетоэлектрика необходимо создать поле обратного направления с напряженностью Ек. Это значение напряженности поля (отрезок ос) называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении напряженности поля поляризация кристалла, а, следовательно, и индукция, меняют свое направление и достигают насыщения в точке d. Если вновь изменить напряженность поля от -Em до +Em, то электрическое состояние сегнетоэлектрика будет изменяться по ветви ndkam. Значение остаточной индукции для этой ветви определяется отрезком of, а коэрцитивной силы - отрезком ok.

Аналогично при циклическом изменении напряженности поля, но с другими значениями Em можно получить ряд частных петель гистерезиса. Вершины петель будут располагаться на кривых оа и оd.

В рамках классической теории можно дать лишь качественное объяснение природе сегнетоэлектрика. Практически все основные свойства и процессы в сегнетоэлектрических материалах (поляризация, гистерезис, пьезоэффект, электрострикция и т.д.) тесно связаны с наличием спонтанной поляризации. Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические тела, у которых решетка не имеет центра симметрии. Весь объем сегнетоэлектрика как бы разбит на небольшие (порядка микрометра) области спонтанной поляризации, называемые доменами. В пределах домена сегнетоэлектрик спонтанно поляризован до насыщения и обладает определенным дипольным моментом. Однако, направление этого момента различно для различных доменов. Поэтому в отсутствие внешнего электрического поля (и остаточной индукции) средняя поляризованность объема сегнетоэлектрика равна нулю.

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле происходит переориентация дипольных моментов по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют гистерезис и аномально большие значения диэлектрической проницаемости.

Увеличение поляризованности при росте напряженности поля происходит через несколько стадий. На первом этапе при слабых полях (начальный участок кривой оа на рис.2) происходит смещение границ и рост доменов с "выгодной" ориентацией дипольных моментов за счет доменов с менее "выгодной" ориентацией. "Выгодной" является такая ориентация дипольных моментов, которая образует острый угол с направлением внешнего электрического поля. Наиболее эффективно этот процесс протекает на втором этапе (средний участок кривой оа), когда наблюдается полное исчезновение доменов с "невыгодной" ориентацией. На третьем этапе (вблизи точки а и на участке am) происходит постепенный поворот дипольных моментов всех доменов в направлении поля до тех пор, пока весь сегнетоэлектрик не превратится в однодоменный кристалл и не будет достигнуто состояние насыщения.

У каждого сегнетоэлектрика есть определенная температура (точка Кюри Тс), при которой домены распадаются и сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик. Например, у титаната бария Тс = 406 К ( 1330С), а у ниобата лития Тс = 1483 К ( 12100С).

Сегнетова соль обладает сегнетоэлектрическими свойствами только в интервале температур между нижней точкой Кюри  = 255 К (- 180С) и верхней точкой Кюри = 297 К ( 240С ).


На главную сайта Dvoika.net