5.8. Сегнетоэлектрики
Из рассмотренного выше механизма поляризации обычных диэлектриков следует, что вектор поляризации всегда направлен вдоль внешнего электрического поля. Электрическая восприимчивость диэлектриков всегда положительна ( 0), а диэлектрическая проницаемость всегда больше единицы ( ). У обычных диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля не возникает поляризационных зарядов, у них нет самопроизвольной поляризации, вектор поляризации этих диэлектриков в отсутствие внешнего поля равен нулю. Но в природе существует особая группа диэлектриков, которые имеют поляризационные заряды в отсутствие внешнего поля. Эти вещества называются сегнетоэлектриками. Свое название они получили по имени типичного представителя диэлектриков этой группы – сегнетовой соли (двойной натриево-калиевой соли винно-каменной кислоты – KNaC4H4O6 4H2O), для которой первоначально наблюдался эффект самопроизвольной (спонтанной) поляризации. Поляризационные характеристики сегнетовой соли были подробно изучены советскими физиками Игорем Васильевичем Курчатовым и Павлом Павловичем Кобеко в 30-е годы XX столетия.
Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характеристических особенностей.
1. В то время как у обычных диэлектриков величина относительной диэлектрической проницаемости составляет несколько единиц, достигающая в виде исключения у некоторых веществ нескольких десятков (у воды, например, = 81), диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает нескольких тысяч.
2. У сегнетоэлектриков наблюдается зависимость диэлектрической проницаемости от температуры.
3. Зависимость вектора
поляризации
этих диэлектриков от напряженности
внешнего электрического поля Е
является нелинейной функцией. При
изменении величины электрического поля
значение вектора поляризации
сегнетоэлектрика изменяется различным
образом, в зависимости от того,
увеличивается или уменьшается внешнее
электрическое поле. В результате этого
величина Р
определяется не только величиной Е
в данный момент, но и предшествующими
значениями поля, т. е. зависит от
предыстории диэлектрика. Такое поведения
вектора поляризации Р
(а следовательно, и величины электрической
индукции
,
так как
)
называется
гистерезисом
(от греч. слова «гистерезис» –
запаздывание). При циклических изменениях
напряженности внешнего электрического
поля Е
зависимость Р
от Е
получается в виде кривой, носящей
название петли
гистерезиса
(рис.5.12).
Рис.5.12
При первоначальном увеличении внешнего электрического поля поляризация сегнетоэлектрика Р растет в соответствии с кривой 1. После того как поле начинает уменьшаться, уменьшается и величина Р, но уже по кривой 2 (а не по кривой 1). Когда величина напряженности электрического поля Е обращается в нуль, поляризация сегнетоэлектрика не уменьшается до нуля (как это было бы у обычного диэлектрика), а снижается только до величины Рост, называемой остаточной поляризацией сегнетоэлектрика. Только под действием противоположно направленного поля напряженностью Ек поляризация сегнетоэлектрика становится равной нулю. Это значение напряженности внешнего электрического поля Ек называется коэрцитивной силой (так как напряженность электрического поля есть сила, действующая на единичный пробный заряд; от лат. слова coercito – удерживание). При дальнейшем увеличении величины противоположно направленного поля поляризация Р будет изменяться в соответствии с петлей гистерезиса.
Поведение поляризации сегнетоэлектриков аналогично поведению величины намагничивания ферромагнетиков (об этом мы будем говорить в дальнейшем). По этой причине сегнетоэлектрики иногда называют ферроэлектриками.
Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические вещества. В кристаллах сегнетоэлектриков самопроизвольно возникают макроскопические области, в которых дипольные моменты отдельных молекул ориентированы одинаковым образом и при отсутствии внешнего электрического поля (рис.5.13). При этом в каждой соседней области эта ориентация различна, и кристалл в целом дипольным моментом не обладает. Области самопроизвольной поляризации называются доменами.
Рис.5.13
Под действием внешнего электростатического поля дипольные моменты доменов начинают ориентироваться вдоль направления поля, поэтому даже в слабых электрических полях такой диэлектрик обладает высокой диэлектрической проницаемость , достигающей нескольких тысяч фарад на метр.
При нагревании сегнетоэлектрика области самопроизвольной поляризации при некоторой температуре разрушаются, и диэлектрическая проницаемость падает до обычных значений порядка нескольких десятков. Сегнетоэлектрик становится обычным диэлектриком с нормальной зависимостью вектора поляризации от напряженности внешнего электрического поля. Температура, при которой наблюдается это явление, называется температурой Кюри (или точкой Кюри).
Сегнетова соль имеет две точки Кюри: при температуре – 15оС и при +22,5оС. Причем она ведет себя как сегнетоэлектрик в интервале температур от – 15оС до +22,5оС, при всех других температурах сегнетова соль является обычным диэлектриком.
В 1944 году в московском Институте физики АН СССР был открыт и исследован еще один сегнетоэлектрик – титанат бария (BaTiO3). Работа по исследованию этого сегнетоэлектрика была проведена советским физиком Бенционом Моисеевичем Вулом, получившим за эту работу в 1946 году Государственную премию СССР. Титанат бария является сегнетоэлектриком до температуры +118оС, выше которой он становится обычным диэлектриком.