Лекция 10 1 Свойства диэлектриков в статических

Лекция № 10 1. Свойства диэлектриков в статических полях 2. Ферромагнитные свойства: Природа ферромагнетизма

Свойства диэлектриков в статических полях • Электрострикция • Пьезоэлектричество • Сегнтоэлектричество

Электрострикция • Наложение на диэлектрик электрического поля вызывает деформацию исходной электронной конфигурации или вращение постоянных диполей , что может приводить к изменению размеров твердых тел и носит название электрострикции. • Этот эффект в общем случае очень мал (например, у стекла он составляет ~ 10Ǻ/м)

Магнитострикция • Линейные размеры ферромагнетика могут незначительно изменяться при постоянной температуре Т<θс (т-ра Кюри) • Если продольный размер стержня увеличивается, то диаметр его уменьшается и наоборот, что также зависит от природы тела • Изменение формы каждого домена в поликристаллическом кристалле наталкивается на препятствия, возникающие от соседних доменов, что приводит к появлению упругих напряжений

Магнитострикция Fe-Ni сплава • Если Fe-стержень при намагничивании удлиняется и его диаметр уменьшается, то сжатие будет препятствовать его намагничиванию, а растяжение –способствовать • Для Ni- стержня наблюдается обратная картина: при намагничивании его длина сокращается и увеличивается диаметр • В Fe-Ni сплавах зависимость относительного удлинения в сплавах от намагничивающего поля меняется в зависимости от состава • Сплавы , содержащие 55 -81%Ni имеют положительную магнитострикцию, а сплавы с 90% Ni и чистый Niотрицательную, при 83%Ni -равную нулю

Магнитострикция ферромагнетиков • Наибольшее относительное укорочение испытывает Ni (почти 0, 004%) • Железо и сталь в слабых полях слегка удлиняются, в более сильных – укорачиваются • Литой кобальт, наоборот, в слабых полях укорачивается, в сильных удлиняется

Пьезоэлектричество • Пьезоэлектрический эффект заключается в поляризации твердого тела , на которое действуют внешние силы • При умеренных по величине силах поляризация пропорциональна величине приложенной силы • Если внешняя сила меняет знак , то и поляризация меняет знак

Пьезоэлектрики • Это кристаллы, в которых под влиянием однородной деформации возникают дипольный момент, а значит и электрическое поле, пропорциональное деформации • Эффект обнаружен Пьером и Жаком Кюри в 1880 году на поверхности пластинок из кристаллов кварца, вырезанных при их определенной ориентировке. • Под действием механических напряжений наблюдалось возникновение электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и его электрическая поляризация – это называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. • При воздействии на пьезоэлектрик электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации – это называется обратным пьезоэффектом.

Деформация в пьезоэлектрическом кристалле мала и пропорциональна E

Применение пьезоэлектриков • Пьезоэлектрики способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот • широко применяются: - в устройствах излучения и приема ультразвуковых колебаний - в микрофонах и звукоснимателях, телефонах, громкоговорителях - в бытовых зажигалках для газа, - в датчиках механических сил, перемещений и ускорений - в сенсорах наличия и движения в охранных системах - в оборудовании для испытания материалов, неразрушающего контроля, диагностике в медицине и промышленности и т. д.

Сегнетоэлектричество • Этот класс диэлектриков характеризуется самопроизвольной поляризацией: соседние диполи в твердом состоянии стремятся ориентироваться параллельно другу вследствие взаимодействия между ними • Это стремление к упорядочению передается в кристалле от атома к атому: целые макроскопические области кристалла могут обладать суммарной самопроизвольной поляризацией в заданном направлении • Обладают электрическим гистерезисом

Гистерезис сегнетоэлектриков и сегнетоэлектрические домены • Рs- соответствует насыщению • PR – остаточная поляризация • Чтобы свести поляризацию к нулю, необходимо приложить поле обратного направления – это называется коэрцитивной силой – Ес • Величины PR и Ес зависят от природы материала, примесей, размеров кристаллитов и термообработки • В сегнетоэлектриках обнаружены домены , подобно доменам в ферромагнетиках (поэтому их второе название - ферроэлектрики)

Кристаллическая структура Ba. Ti. O 3 • Тип перовскита: Ba- по углам куба, ион Ti – в центре куба. Ионы О- в центре граней куба • Элементарная ячейка не обладает дипольным моментом, т. к. симметрична • Если ион Ti сместится по направлению к О на 0, 1Ǻ, то возникает поляризация • Разрушается при определенной температуре Кюри

Сегнетоэлектрики Применяются: • Для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью • В счетно-вычислительной технике в качестве ячеек памяти • Для модуляции и преобразования лазерного излучения

Поляризация отдельных атомов и молекул в электрическом поле может быть обусловлена тремя причинами : • Электрическое поле может вызвать относительное смещение положительного и отрицательного зарядов в атоме, наводя дипольный момент у атома (или создавая наведенную поляризацию). • Положительно и отрицательно заряженные ионы могут под действием поля также испытывать смещение, обуславливая ионную поляризацию. • Постоянные диполи (т. е. диполи, существующие в отсутствие внешнего поля) могут поворачиваться полем из случайных направлений в направление поля, вызывая возникновение поляризации вследствие ориентации постоянных диполей

Наведенная поляризация • Смещение электронного облака под действием приложенного поля • а- в отсутствии поля ядро находится в центре сферического электронного облака • б – под действием поля Е ядро и электронное облако смещаются относительно друга на расстояние d • При этом сила действующая со стороны поля и сила Кулоновского притяжения между зарядами уравновешиваются, создавая равновесие

Электронная поляризуемость • Вычисляется по формуле: αe =4πεv R 3 E • Где εv- диэлектрическая проницаемость вакуума =8, 85 х10 -12 ф/м(фарада/метр), • R- радиус атома или иона • Из формулы видно, что αe не зависит от атомного номера, а только от радиуса–R

Ионная поляризация существует только в материалах, где одни ионы обладают суммарным положительным, а другие суммарным отрицательным зарядом • Расстояние между зарядами- х возрастает на величину d 1 , которое определяется из условия равновесия между электростатической силой и силой межионного взаимодействия, возникающей при растяжении связи HCl

Ориентационная поляризация (Ланжевен 1905 г) • Q- заряд диполя • F-сила, действующая на заряд • F стремится повернуть диполь в направлении поля, т. е. уменьшить угол θ • При θ=0 выполняется условие минимума энергии

Электрические и магнитные диполи • Поведение электрических диполей в электрическом поле подобно поведению магнитных диполей в магнитном поле • Ланжевен сделал расчет для магнитных диполей в магнитном поле, но его результаты применимы и к случаю электрических диполей • Эти расчеты дают температурную зависимость поляризации, которая была многократно подтверждена экспериментально αθ =Pp 2 /3 k. T

Ферромагнетики • Поскольку магнитные моменты заполненных электронных оболочек равны нулю, а внешние (свободные) валентные электроны обобществляются при образовании металлического состояния, то ферромагнетизмом могут обладать лишь переходные элементы, характеризующиеся наличием недостроенных внутренних оболочек: • 1. Элементы группы железа – (недостроенная 3 dоболочка) Fe, Co, Ni, • 2. РЗМ-элементы- Gd и др. (недостроенная 4 fоболочка) • Их сплавы

Природа ферромагнетизма • Ниже точки Кюри происходит переход части электронов из одного спинового состояния в другое: из состояний со спином, направленным антипараллельно полю (вверх), в состояние со спином, направленным параллельно полю (вниз); и следовательно возникает суммарный магнитный момент , направленный вниз. • Такой перенос происходит в отсутствии поля, самопроизвольно, спиновые моменты обуславливают 90% намагниченности • Точки Кюри для Fe-1043 К; Тпл-1808 К ; ОЦК • Co- 1404 К; Тпл-1753 К ; ГПУ • Ni- 631 К Тпл -1728 К; ГЦК

Природа 3 d-зоны в Fe, Ni, Co • Fe, Ni, Co- имеют заполненные электронные оболочки 1 s, 2 p, 3 s и 3 p , они не обладают магнитным моментом и эти 18 электронов не участвуют в создании намагниченности. • 3 d и 4 s уровни расщеплены в зоны, благодаря перекрытию волновых функций в металле • 3 d- зона значительно уже s- и p-зон, что обуславливает следующие важные особенности: 1. Кинетическая энергия Ферми незначительна 2. Плотность состояний на уровне Ферми сравнительно невелика 3. Существует взаимодействие между 3 d-электронами соседних атомов

Зависимость намагниченности от температуры • Спонтанная намагниченность ферромагнетиков обусловлена взаимодействием между соседними атомами, которое стремится упорядочить их спины • Если это взаимодействие сильно, то все соседние спины устанавливаются параллельно другу и намагниченность материала достигает своего максимального значения • Тепловое движение влияет на ферромагнитные свойства вещества, т. к. тепловые колебания атомов стремятся нарушить спиновое упорядочение • Следовательно максимальная намагниченность возможна при абсолютном нуле, затем она убывает и равна нулю при температуре Кюри

Петля гистерезиса и коэрцитивная сила • Процессы намагничивания ферромагнетиков характерны своей необратимостью • При перемагничивании изменение В отстает от Н, и при Н=0 В= В ост- остаточной индукции или остаточнму магнетизму • Для уничтожения Вост требуется приложение размагничивающего поля Нк , которое называется коэрцитивной силой • Замкнутую кривую, описывающую цикл перемагничивания называют петлей гистерезиса

Мягкие и жесткие ферромагнитные материалы • В зависимости от формы и площади петли гистерезиса ферромагнитные материалы подразделяют на мягкие и жесткие или высококоэрцитивные.

Антиферромагнетизм • В некоторых твердых телах обменное взаимодействие вызывает антипараллельное упорядочение спинов. Например, Mn. O. • Кристаллическая решетка Mn. O проста: ионы элементов образуют две ГЦК решетки, которые ориентированы так, что ионы металла имеют в качестве ближайших соседей ионы кислорода (типа Na. Cl). • Спины ионов, расположенных в плоскостях (111) параллельны, а спины ионов смежных слоев антипараллельны • Их моменты взаимно компенсируются и спонтанная намагниченность отсутствует • Разрушение антиферромагнитного порядка происходит резко при определенной критической температуре, называемой температурой Нееля