Сегнетоэлектрики — это класс кристаллических материалов, обладающих особыми электрическими свойствами. Одной из наиболее характерных особенностей сегнетоэлектриков является их способность к поляризации. Поляризация — это явление разделения электрических зарядов в кристаллической решетке, обусловленное изменением электрической дипольной моментной величины внутри материала.
Причины поляризации сегнетоэлектриков заключаются в особенностях их кристаллической структуры. Кристаллическая решетка сегнетоэлектрика имеет асимметрию, что означает, что электроны и атомы в кристалле распределены неравномерно. В результате этой асимметрии возникает электрический дипольный момент, который может быть направлен в определенную сторону. Именно эта асимметрия и обуславливает возможность поляризации в сегнетоэлектриках.
Процесс поляризации сегнетоэлектрика может протекать не только под воздействием электрического поля, но и под воздействием механических напряжений или температурных изменений. При достижении определенных условий, кристалл сегнетоэлектрика становится поляризованным, то есть структура его кристаллической решетки становится преимущественно ориентированной в определенном направлении.
Гистерезис — это явление, которое возникает при изменении напряжения или температуры, вызывающего поляризацию в сегнетоэлектрике. При изменении поляризации сегнетоэлектрика возникают резистивные потери и гистерезис в электрической энергии системы. Это связано с тем, что поляризация сегнетоэлектриков является обратимым процессом, и для изменения ее величины требуется определенное энергетическое воздействие.
Поляризация сегнетоэлектриков
При отсутствии внешнего поля, в сегнетоэлектрике диспергированы области с противоположенными направлениями поляризации. Когда внешнее поле направлено в определенном направлении, происходит перераспределение доменов поляризации, что вызывает изменение макроскопической поляризации материала.
Для описания поляризации сегнетоэлектриков используется понятие гистерезиса. Гистерезис – это явление, при котором величина поляризации остается неизменной при изменении внешнего поля до определенного значения, после чего начинает изменяться. Это означает, что сегнетоэлектрик сохраняет свою поляризацию даже после удаления внешнего электрического поля, что делает его уникальным материалом для использования в различных электронных устройствах.
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Диэлектрическая проницаемость | Высокая |
| Произведение Керра | Большое |
| Температура Кюри | В зависимости от вещества |
Сегнетоэлектрики нашли свое применение в таких областях, как память, датчики, резонаторы, акустические устройства и др. Их особенности и свойства делают их полезными материалами для различных технологических приложений.
Определение и значение
Поляризация сегнетоэлектриков имеет большое значение в различных областях науки и техники. Например, она широко используется в электронике для создания электрических компонентов, таких как пьезоэлектрические датчики или управляемые сегнетоэлектрические устройства. Также поляризация сегнетоэлектриков играет важную роль в физике конденсированного состояния и материаловедении, так как позволяет изучать и контролировать их свойства.
Понимание причин и механизмов поляризации сегнетоэлектриков важно для разработки новых материалов с заданными свойствами и улучшения существующих технологий. Изучение гистерезиса поляризации таких материалов позволяет оптимизировать их использование в различных приложениях, а также понять их поведение под воздействием внешних факторов.
Механизмы поляризации
Осцилляционный механизм основан на наличии вещества дипольных моментов, которые испытывают периодическое смещение под воздействием внешнего электрического поля. Под действием поля дипольные моменты сегнетоэлектрика более ориентированы в одну сторону, создавая положительные и отрицательные заряды на поверхности. Это смещение зарядов и создаёт электрическую поляризацию.
Ещё одним механизмом поляризации является ионный механизм, который основан на сдвиге ионов в кристаллической структуре материала под воздействием электрического поля. Это приводит к созданию положительных и отрицательных зарядов внутри сегнетоэлектрика и вызывает поляризацию.
Главная особенность поляризации сегнетоэлектриков заключается в том, что они могут сохранять поляризацию после отключения внешнего электрического поля. Это называется гистерезисом. Гистерезис является результатом сложных взаимодействий между доменами сегнетоэлектрика и создает устойчивое состояние поляризации.
| Механизм поляризации | Описание |
|---|---|
| Осцилляционный | Дипольные моменты сегнетоэлектрика под воздействием электрического поля испытывают периодическое смещение, создавая электрическую поляризацию. |
| Ионный | Ионы внутри сегнетоэлектрика сдвигаются под действием электрического поля, вызывая поляризацию. |
Причины поляризации сегнетоэлектриков
Сегнетоэлектрические материалы обладают уникальной способностью изменять свою электрическую поляризацию под действием внешнего электрического поля. Это основное свойство делает их полезными в ряде технологий, включая память, сенсоры и актуаторы.
Перечислим основные причины, вызывающие поляризацию сегнетоэлектриков:
- Эффект пьезоэлектричества: Сегнетоэлектрические материалы обладают спонтанной поляризацией без внешнего поля благодаря наличию диполя в структуре. Под действием внешнего электрического поля происходит перемещение диполей, что приводит к изменению поляризации материала.
- Тепловые флуктуации: Тепловые флуктуации в материале могут вызывать случайные изменения ориентации диполей, в результате чего происходит перераспределение электрической поляризации.
- Механическое напряжение: Механическое деформирование материала может вызывать изменение ориентации диполей и, следовательно, поляризацию сегнетоэлектрика.
- Электрическое поле: Само по себе внешнее электрическое поле может вызывать перемещение диполей в сегнетоэлектрическом материале, что приводит к изменению его поляризации.
Все эти факторы могут быть использованы для управления и модуляции свойств сегнетоэлектрических материалов в различных технических приложениях.
Температурные эффекты
При повышении температуры происходит расположение диполей более хаотично, что приводит к уменьшению суммарной поляризации материала. Это наблюдается в явлении обратной фазовой переходности — сегнетоэлектрик теряет свои диэлектрические свойства при повышении температуры и переходит в параболическую фазу.
Также температурные эффекты могут вызывать изменение кривизны и ширины гистерезисной петли поляризации. При изменении температуры кривизна петли может меняться и становиться менее выраженной, а ширина петли может увеличиваться или уменьшаться.
Кроме того, при низких температурах возникает эффект спонтанной поляризации, при котором сегнетоэлектрик самопроизвольно приобретает постоянную поляризацию даже в отсутствие внешнего электрического поля.
Электрические эффекты
Основными электрическими эффектами в сегнетоэлектриках являются:
1. Пьезоэлектрический эффект Пьезоэлектрический эффект проявляется в изменении формы и размера материала при наложении на него механического напряжения. В результате под действием механического воздействия происходит поляризация диполей и возникает электрическое поле. Этот эффект широко применяется в различных устройствах, таких как генераторы звука, ультразвуковые датчики и актуаторы. | 2. Пироэлектрический эффект Пироэлектрический эффект заключается в изменении поляризации материала при изменении его температуры. В результате этого эффекта в материале появляется электрический заряд, который может быть использован для создания термогенераторов, датчиков температуры и других устройств. |
3. Эффект керамики Карри-Форстера Эффект керамики Карри-Форстера является явлением поляризации, вызванной переходом ферроэлектрического материала в состояние высокой температуры. В результате этого эффекта материал может иметь высокую емкость и использоваться в конденсаторах большой емкости. | 4. Электрооптический эффект Электрооптический эффект проявляется в изменении оптических свойств материала под воздействием электрического поля. Этот эффект позволяет создавать устройства для изменения пропускания или отражения света, такие как электрооптические модуляторы и измерительные устройства. |