Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема.

Механизм поляризации титаната бария

Поляризация сегнетоэлектриков В электрическом поле у сегнетоэлектрика появляется поляризация, состоящая из двух компонентов P = P см + P сп, где Р сп– проекция вектора спонтанной поляризации на направление поля; Р см –поляризация смещения. Диэлектрическая проницаемость представляется в виде В сегнетоэлектриках возникает большое внутреннее поле.

В решетке Ba. Ti. O 3 между ионами O - 2 и Ti+ 4 имеется односторонний зазор, равный 0, 1 A. В результате такой «рыхлости» , ион Ti + 4 может свободно смещаться в октаэдрической пустоте. И он действительно прилипает к одному или нескольким ионам кислорода в октаэдре. Возникает нарушение симметрии решетки кристалла и появляется мощное внутреннее поле. Это поле действует на соседние области кристалла, поляризуя их, а они» в свою очередь, на другие и так в пределах домена. Появляется, ориентированная в определенном направлении, спонтанная поляризация.

Фазовые переходы в титанате бария При понижении температуры в кристаллах титаната бария происходит ряд последовательных сегнетоэлектрических фазовых переходов: при 120 °C они переходят из кубической (параэлектрической) фазы с пр. гр. Pm 3 m в тетрагональную полярную (сегнетоэлектрическую) фазу с пр. гр. P 4 mm, затем при 5 °C следует переход в орторомбическую полярную фазу с пр. гр. Amm 2 и, наконец, при − 90 °C — в ромбоэдрическую полярную фазу с пр. гр. R 3 m.

Изменение структуры и направления вектора спонтанной поляризации в кристаллах титана бария при понижении температуры Исходная кубическая симметрия m 3 m (а); 120 °C тетрагональная 4 mm (б); 5 °C орторомбическая 3 m (в); − 90 °C ромбоэдрическая mm 2 (г)

Изменение структуры и направления вектора спонтанной поляризации в кристаллах титана бария при понижении температуры Фазовый переход при температуре 120°С сводится к тому, что одно из ребер кубической ячейки удлиняется и становится полярной тетрагональной осью симметрии, два других ребра укорачиваются, переходя тетрагональные оси. Ниже 5°С титанат бария испытывает второе фазовое превращение. Получается новая сегнетоэлектрическая фаза, устойчивая между 5°С и -90°С и обладающая орторомбической симметрией. Элементарная ячейка может быть получена из исходной кубической ячейки, если её растянуть вдоль диагонали одной из граней куба и сжать вдоль другой диагонали той же грани. Растянутая диагональ служит полярной осью кристалла. При -90°С происходит третий фазовый переход: кристалл становится ромбоэдрическим с полярной осью вдоль одной из пространственных диагоналей куба.

Элементарные ячейки четырёх фаз кристалла Ba. Ti. O 3 а) кубическая, стабильна выше 120 С б) тетрагональная, стабильна между 1200 С и 50 С в) ромбическая, стабильна между 50 С и -900 С г) ромбоэдрическая, стабильна при температуре ниже -900 С.

Пьезоэлектрики Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Пьезоэффект имеет линейный характер где P — поляризованность, σ — механическое напряжение, возникающее в диэлектрике при упругом деформировании, d (Кл/Н) — пьезомодуль, являющийся коэффициентом пропорциональности, характеризующим способность диэлектрика к пьезоэффекту.

Пьезоэлектрики Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля Для обратного пьезоэффекта между относительной упругой деформацией и напряженностью электрического поля E существует следующая связь: Физической причиной пьезоэффекта является асимметричное, упругое смещение зарядов в ионных или сильнополярных диэлектриках, в результате которого в структуре диэлектрика возникают диполи.

Материалы пьезодиэлектриков − 12 ∙ монокристаллический кварц ( 10 Кл/Н), который обладает пьезоэффектом в определенном кристаллографическом направлении, имеет высокую добротность (малые диэлектрические потери), поэтому применяется для создания резонаторов, обеспечивающих стабильность и точность частоты механических колебаний в электромеханических системах генераторов, фильтров, приборов времени;

Материалы пьезодиэлектриков ∙ сегнетоэлектрики в виде однодоменных сегнетоэлектриче- ских кристаллов Li. Ta. O 3, Li. Nb. O 3 ( ), имеющих более высокую, чем у кварца добротность в области высоких и сверхвысоких частот (1010 Гц); ∙ сегнетоэлектрическая керамика (пьезокерамика), например, твердые растворы Pb. Zr. O 3–Pb. Ti. O 3 (ЦТС) с большой остаточ- ной поляризованностью, используется для ультразвуковых преобразователей электрических колебаний в механические (ультразвуковые излучатели для гидроакустики, дефекто- скопии, механической обработки, громкоговорители, теле- фоны) и наоборот, механических колебаний в электрические (микрофоны, датчики давления, датчики деформации);

Материалы пьезодиэлектриков ∙ полимерная пленка, в частности, поливинидиленфторид (CH 2–CF 2) , используемая для различных датчиков давления и деформации, менее чувствительная, но более дешевая и технологичная, чем сегнетокерамика, позволяющая получать элементы с большой рабочей поверхностью

Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, сильно из- меняющие поляризованность P при изменении температуры T. Количественно пироэффект характеризуется пироэлектрическим коэффициентом . Пироэффект обратим, то есть изменение P также вызывает Изменение T.

Пироэлектрики Физическая природа пироэлектричества связана с изменением спонтанной или остаточной поляризованности, поэтому имеет место, в первую очередь, у сегнетоэлектриков, которые в качестве пироэлектриков используют чаще всего. При этом, как и в случае сегнетоэлектрических пьезоэлектриков, для обеспечения пироэлектрических свойств производится поляризация кристаллов и керамики в сильном электрическом поле вблизи точки Кюри. Среди сегнетоэлектрических кристаллов наибольшей стабиль- ностью пироэлектрических свойств обладают кристаллы танталата и ниобата лития Li. Ta. O 3, и Li. Nb. O 3, а из керамик чаще всего используется керамика системы ЦТС.

Пироэлектрики Пленочные полимеры типа поливинидиленфторида имеют незначительную чувствительность, но используются благодаря дешевизне и простой технологии изготовления. Пироэлектрики применяют как чувствительные элементы в приемниках оптического излучения в ИК-области и в датчиках температуры

Электреты Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохра- няющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т. е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита.

Классификация электретов по способу получения Термоэлектреты получают из охлажденного в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков (канифоль, пальмовый воск). Способны сохранять поляризацию в течении многих месяцев и даже лет. ∙ Фотоэлектреты изготавливают из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью (сера, сульфид кадмия), при одновременном воздействии света и электрического поля. Длительно сохраняют заряды в темноте и разряжаются при освещении. ∙ Электроэлектреты (короноэлектреты) получают за счет появления заряженных дефектов в результате бомбардировки поверхности диэлектрика ионами, образовавшимися при газовом разряде в сильном электрическом поле. ∙ Радиоэлектреты создают при помощи облучения ∙ Трибоэлектреты получают воздействуя на диэлектрик трением. Разрушение молекул при этом приводит несимметричному

Виды электретов а — термоэлектрет с остаточной поляризацией; б — фотоэлектрет; в — электроэлектрет; г — радиоэлектрет; д — трибоэлектрет

Электреты могут быть использованы -для изготовления микрофонов и телефонов, - измерения механических вибраций, -в качестве пылеуловителей, дозиметров радиации, -измерителей атмосферного давления и влажности, электрометров, в клавишных вычислительных машинах, в электрофотографии и во многих других случаях