§91. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики — диэлектрики, облада­ющие в определенном интервале темпера­тур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т. е. поляризованностью в отсутствие внешнего электрического по­ля. К сегнетоэлектрикам относятся, напри­мер, детально изученные советскими физи­ками И.В.Курчатовым (1903—1960) и П. П. Кобеко (1897—1954) сегнетова соль NaKС₄Н₄О₆•4Н₂О (от нее и получили свое название Сегнетоэлектрики) и титанат бария ВаТiO₃.

При   отсутствии  внешнего электриче­ского поля сегнетоэлектрик представляет собой как бы мозаику из доменов — об­ластей с различными направлениями поляризованности. Это схематически показа­но на примере титаната бария (рис. 139), где стрелки и знаки 0, © указывают направление вектора Р. Так как в смеж­ных доменах эти направления различны, то в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переори­ентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддер­живать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. По­этому Сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической про­ницаемости (для сегнетовой соли, напри­мер, e_max»10⁴).

Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная тем­пература, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обыч­ным диэлектриком. Эта температура на­зывается точкой Кюри (в честь француз­ского физика Пьера Кюри (1859—1906)). Как правило, Сегнетоэлектрики имеют только одну точку Кюри; исключение со­ставляют лишь сегнетова соль (-18 и + 24 °С) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектриков в обычный диэлектрик, происходящее в точке Кюри, сопровожда­ется фазовым переходом II рода (см. § 75).

Диэлектрическая проницаемость e (а следовательно, и диэлектрическая вос­приимчивость и) сегнетоэлектриков зави­сит от напряженности Е поля в веществе, а для других диэлектриков эти величи­ны являются характеристиками вещест­ва.

 

 

146

Для сегнетоэлектриков формула (88.2) не соблюдается; для них связь между векторами поляризованности (Р) и напряженности (Е) нелинейная и за­висит от значений Е в предшествующие моменты времени. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания»). Как видно из рис. 140, с увеличением напряженности Е внешнего электрического поля поляризованность Р растет, достигая насыщения (кривая 1). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и при Е=0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточ­ную поляризованность Р₀, т. е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в от­сутствие внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить электрическое поле обратного направления ( -E_с). Вели­чина Е_c называется коэрцитивной силой (от лат. coercitio — удерживание). Если далее Е изменять, то Р изменяется по кривой 3 петли гистерезиса.

Интенсивному изучению сегнетоэлек­триков послужило открытие советским фи­зиком Б. М. Вулом (1903—1985) аномаль­ных диэлектрических свойств титаната ба­рия. Титанат бария из-за его химической устойчивости и высокой механической про­чности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком темпе­ратурном интервале нашел большое науч­но-техническое применение (например, в качестве генератора и приемника уль­тразвуковых волн). В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко применяются также в качестве материалов с большими значе­ниями e (например, в конденсаторах).

Следует упомянуть еще о пьезоэлектриках — кристаллических веществах, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляри­зация даже в отсутствие внешнего электриче­ского поля (прямой пьезоэффект). Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической дефор­мации под действием электрического поля. У не­которых пьезоэлектриков решетка положитель­ных ионов в состоянии термодинамического рав­новесия смещена относительно решетки отрица­тельных ионов, в результате чего они оказыва­ются электрически поляризованными даже без внешнего электрического поля. Такие кристал­лы называются пироэлектриками. Еще су­ществуют электреты — диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля (электри­ческие аналоги постоянных магнитов). Эти группы веществ находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.