§3.8. Пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики
Среди
диэлектриков есть кристаллы, обладающие
особыми свойствами. Некоторые из них
при сжатии,
растяжении
или сдвиге
приобретают дипольный момент. Другими
словами, вектор поляризации
может возникать в этих кристаллах без
электрического поля.
Такие кристаллы называются
пьезоэлектрическими.
Типичным представителем пьезоэлектриков
является кварц.
В кристалле кварца в недеформированном состоянии дипольный момент каждой кристаллической ячейки равен нулю вследствие компенсации нескольких дипольных моментов. При сжатии кристалла происходит небольшой поворот дипольных моментов в направлении механического напряжения, из-за чего ячейка приобретает результирующий дипольный момент вдоль действия силы.
Эффект, обратный пьезоэлектрическому явлению, заключается в небольшой деформации кристалла, при его попадании в электрическое поле. Механизм этого явления объясняется тем, что внешнее поле, действуя на дипольные моменты, поворачивает их, деформируя ячейку, а с ней и весь кристалл.
Пьезоэлектрические кристаллы широко используются в технике, в частности, при записи и воспроизведении звука, для измерения высокого и быстроменяющегося давления и др.
Другие кристаллы, называемые сегнетоэлектриками, обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в пределах небольших областей кристалла, называемых доменами, даже в отсутствии электрического поля или деформации. Поскольку вектора поляризации каждого домена ориентированы хаотически, то кристалл сегнетоэлектрика в целом не поляризован.
Однако при включении внешнего электрического поля или при деформации происходит поляризация сегнетоэлектрика, причем в данном случае ориентируются на отдельные молекулы, а целые уже поляризованные области – домены. Это приводит к сильной поляризации кристалла.
Характерными особенностями сегнетоэлектриков являются:
а) высокое
значение диэлектрической проницаемости
;
б) нелинейная
зависимость вектора поляризации от
напряженности поля, т.к.
и
;
(3.45)
в) наличие
гистерезиса,
т.е. отставание изменения вектора
поляризации
от изменения напряженности
;
г) для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура (точка Кюри), выше которой его необычные свойства исчезают.
Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами, обратное же утверждение несправедливо.
Резюме
1. Диэлектрики,
помещенные в электрическое поле,
поляризуются, что приводит к появлению
связанных зарядов
на поверхностях перпендикулярных
напряженности внешнего поля.
2. Вектор поляризации , равный дипольному моменту единицы объема, связан с напряженностью поля внутри диэлектрика и поверхностной плотностью связанных зарядов соотношениями:
,
где ‑ диэлектрическая восприимчивость среды.
3. Взаимодействие между зарядами и электрическое поле внутри диэлектрика по сравнению с вакуумом ослабляются:
,
здесь ‑ диэлектрическая проницаемость вещества.
4. Величина
вектора электрической напряженности
в диэлектриках определяется как
свободными
,
так и связанными
зарядами.
5. Вектор электрического смещения характеризует электрическое поле создаваемое только свободными зарядами
.
6. Теорема Остроградского-Гаусса в диэлектриках приобретает вид:
‑ поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных зарядов находящихся внутри нее.
