5.6. Активные диэлектрики

Основным используемым явлением обычных (пассивных) диэлектриков является поляризация, индуцируемая внешним электрическим полем.

5.6.1. Сигнетодиэлектрики

Сигнетодиэлектриками называются материалы, которые обла­дают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в определен­ном интервале температур.

Спонтанная поляризация - это поляризация, которая возникает в диэлектрике под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Это явление связано с особенностями сегнетодиэлект­риков.

Объем сигнетодиэлектрика разделен на домены, которые пред­ставляют собой макроскопические об­ласти с различным направлением векто­ров спонтанной поляризованности Р. В отсутствие внешнего электрическо­го поля суммарная поляризованность образца в целом равна нулю. При воз­действии внешнего электрического поля векторы спонтанной поляриза­ции диполей ориентируются в основ­ном в направлении поля, что вызыва­ет эффект очень сильной поляризации, следствием чего является сверхвысокое значение диэлектрической проницае­мости е.

Рис. 5.8. Петля диэлектриче­ского гистерезиса идеального сигнетодиэлектрика: P_с - поляризованность сигнетодиэлектрика; E_с - напря­женность внешнего электриче­ского поля; P„ - поляризованность начала участка насыщения; E„ - напряженность начала участка насыщения

Зависимость поляризованности Р от напряженности внешнего электрическо­го поля Е в сигнентодиэлектриках нели­нейна и при циклическом изменении на­пряженности поля имеет вид характер­ной замкнутой кривой, которая назы­вается петлей гистерезиса (рис. 5.8).

При напряженности поля Е =0 поляризованность Р образца, со­стоящего из одного домена, равна + Р_с или –Р_c. С увеличением на­пряженности поля, приложенного по направлению Р_с, поляризован­ность Р растет линейно благодаря обычным механизмам поляриза­ции (электронному, ионному, дипольному). Если прикладывать электрическое поле противоположного знака, то при некотором зна­чении напряженности поля Е_с происходит переполяризация, т. е. изменение направления вектора Р_c на противоположное. Напря­женность поля, при которой происходит изменение направления спонтанной поляризованности, называют коэрцитивной силой H_c.

Сегнетоэлектрическая точка Кюри - температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спон­танная поляризация. Диэлектрическая проницаемость ε вещества при температуре точки Кюри Т_к максимальна. После достижения точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрическо-го состояния в параэлектрическое, когда Р_с = 0.

Диэлектрическая проницаемостью ε и тангенс угла диэлектри­ческих потерь tgδ сильно зависят от частоты, особенно в области высоких частот.

Рассмотренные особенности поляризации были впервые откры­ты у кристалла сегнетовой соли, а диэлектрики с такими свойства­ми получили название сегнетоэлектриков.

Нелинейная сигнетокерамика обладает резко выраженной нелинейной зависимостью диэлектрической проницае­мости от напряженности электрического поля.

Нелинейные диэлектрические конденсаторы, емкость которых зависит от приложенного напряжения, называют варикондами (слово «вариконд» произошло от слов «вариация» и «конденсатор»).

Конструктивно вариконды выполняют в виде дисковых или пле­ночных плоских керамических конденсаторов.

В зависимости от области применения в варикондах использу­ется два вида диэлектрической нелинейности - эффективная и ре­версивная.

Эффективная нелинейность - это изменение емкости от ампли­туды приложенного напряжения (синусоидального, импульсного или любой другой формы). Она существует лишь на низких часто­тах. На высоких частотах емкость вариконда не зависит от напря­женности электрического поля. Эффективную нелинейность исполь­зуют в стабилизаторах переменного напряжения, в устройствах искрогашения.

Реверсивная нелинейность - это изменение емкости в перемен­ном поле другим, управляющим электрическим полем. Управляю­щее напряжение прикладывается к вариконду одновременно с пе­ременным. Управляющее поле может быть постоянным или мед­ленно меняющимся. Частота напряжения управляющего поля мень­ше частоты напряжения переменного поля, а амплитуда управляю­щего напряжения выше амплитуды переменного напряжения.

Реверсивная нелинейность сегнетоэлектриков используется в ди­электрических усилителях, стабилизаторах напряжения, устрой­ствах автоматики.

Терморезистивная сигнетокерамика использует позисторный эффект, который заключается в резком возрастании удельного электрического сопротивления ρ при повышении температуры вблизи точки Кюри.

Сигнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса применяют в запоминающих устройствах (ЗУ) электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В отсутствие внешне­го электрического поля поляризованный сегнетоэлектрик имеет два стабильных состояния с поляризованностями + Рс и -Рс Одно из этих состояний в запоминающей ячейке ЭВМ соответству­ет хранению единицы, а второе - нуля. Меняя напряжение записи, сегнетоэлектрик можно переводить из одного состояния в другое.

Для лучших сегнетокерамических материалов быстродействие составляет десятки наносекунд.