Электрическое поле в диэлектриках. Сегнетоэлектрики.

Термин “диэлектрики” был введен Фарадеем. Диэлектриком является любая среда (газ, жидкость или твердое тело), в которой длительное время может существовать электрическое поле. В отличие от проводников в диэлектриках отсутствуют свободные электрические заряды. Т.е. диэлектриками называют тела в которых заряды не могут перемещаться из одной части в другую.

Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных микроскопических зарядов и в целом электрически нейтральны. В зависимости от строения все диэлектрические вещества можно разделить на три большие группы.

1. К первой группе принадлежат диэлектрики, состоящие из молекул, у которых “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов совпадают (например, бензол и др). Молекулы таких диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля не обладают дипольным моментом (рис.14.1.а). Во внешнем электрическом поле “центы тяжести” положительных и отрицательных (электронных оболочек) зарядов молекулы смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние L, малое по сравнению с размерами молекулы (рис.14.1 б). Каждая молекула при этом становится полярной (дипольной), подобной электрическому диполю и приобретает дипольный электрический момент Такого рода поляризация называется электронной. При помещений диэлектрика в электрическое поле все неполярные молекулы превращаются в дипольные, расположенные цепочками вдоль силовых линий поля (рис.14.2). В результате торцы диэлектрика приобретают разноименные заряды - диэлектрик поляризуется. Степень электронной поляризации зависит от его свойств и от величины напряженности поля .

1. Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и др. В таких веществах молекулы всегда (ив отсутствие внешнего поля) несимметричны, т.е. являются дипольными. Благодаря тепловому движению дипольные молекулы расположены в диэлектрике беспорядочно (рис.14.3 а). Поэтому диэлектрик в целом оказывается не поляризованным. Под влиянием электрического поля все дипольные молекулы диэлектрика повернутся так, что их оси расположатся приблизительно вдоль силовых линий поля (рис.14.3 б). Такого рода поляризация называется ориентационной или дипольной поляризацией. Полной ориентации препятствует тепловое движение.

 

1. К третьей группе относятся кристаллические диэлектрики, имеющие ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и др). У кристаллических диэлектриков с ионной решеткой каждая пара соседних разноименных ионов подобна диполю (рис. 14.4.а) В электрическом поле эти диполи деформируются: удлиняются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля. В результате диэлектрик поляризуется. Введем величину, характеризующую степень поляризации диэлектрика. Если просуммировать все дипольные моменты диэлектрика в единице объема, то получим вектор поляризации

Для определения степени поляризации в точке необходимо ΔV устремить к нулю. Вектор направлен вдоль электрического поля , в котором находится диэлектрик. Для не слишком сильных полей можно принять, что величина вектора поляризации пропорциональна величине напряженности поля, т.е. Р~Е

В системе СИ вектор поляризации

(14.1)

где - называется диэлектрической восприимчивостью вещества и зависит от его строения.

Сегнетоэлектриками называются кристаллические диэлектрики, у которых в отсутствие внешнего электрического поля возникает самопроизвольная ориентация дипольных электрических моментов составляющих его частиц.

Сегнетоэлектрики отличаются от остальных диэлектриков рядом характерных особенностей:

1. В то время как у обычных диэлектриков e составляет несколько единиц, достигая в виде исключения нескольких десятков (у воды, например, e = 81), диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков бывает порядка нескольких тысяч.

2. Зависимость от не является линейной. Следовательно, диэлектрическая проницаемость оказывается зависящей от напряженности поля.

3. При изменениях поля значения поляризованности Р (а следовательно, и смещения D)отстают от напряженности поля Е, в результате чего Р и D определяются не только величиной Е в данный момент, но и предшествующими значениями Е, т. е. зависят от предыстории диэлектрика. Это явление называется гистерезисом (от греческого «гистерезис» – запаздывание). При циклических изменениях поля зависимость Р от Е изображается кривой, называемой петлей гистерезиса (рис. 1.42). При первоначальном включении поля поляризованность растет с Е в соответствии с ветвью 1 кривой. Уменьшение Р происходит по ветви 2. При обращении Е в нуль вещество сохраняет значение поляризованности Рr, называемое остаточной поляризованностью. Только под действием противоположно направленного поля напряженности Ес поляризованность ставится равной нулю. Это значение напряженности называется коэрцитивной силой. При дальнейшем изменении Е получается ветвь 3 петли гистерезиса. Поведение поляризованности сегнетоэлектриков аналогично поведению намагниченности ферромагнетиков. По этой причине сегнетоэлектрики называют иногда ферроэлектриками.

Примеры: сегнетова соль NaKC₄H₄O₆·4H₂O; титанат бария BaTiO₃.

Сегнетоэлектрики состоят из доменов – областей спонтанной поляризации, в пределах каждой области дипольные моменты параллельны друг другу (рис. 1.41). Под действием внешнего поля дипольные моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

Температура, выше которой исчезают сегнетоэлектрические свойства называется точкой Кюри. Сегнетова соль имеет две точки Кюри: -15°С и +22,5°С, причем она ведет себя как сегнетоэлектрик лишь в температурном интервале, ограниченном указанными значениями. При температуре ниже -15 °С и выше +22,5°С электрические свойства сегнетовой соли обычны.

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). Наблюдаетсяи 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 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.

Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов