Вопрос №6. Сегнетоэлектрики

Опыты показывают, что диэлектрическая восприимчивость χ твердых кристаллических диэлектриков (полярных и неполярных) практически не зависит от температуры (т.е. χ = f(T)).

Восприимчивость полярных веществ в кристаллическом состоянии меньше, чем в жидком.

Например: Вода: t = 18˚С, χ = 80.

Лед: χ= const (χ =2,1 при t = -18˚С)

Однако существует группа кристаллических диэлектриков, для которых харак­терно резкое повышение восприимчивости χ в некоторой области температур (значе­ние χ достигает нескольких тысяч). Впервые такое поведение вещества в электриче­ском поле было обнаружено сотрудниками И.В. Курчатова (1903-1960) при изучении свойств сегнетовой соли (NaKС₄Н₄О₆ · 4Н₂О — двойная соль винной кислоты).

Это и послужило в дальнейшем основанием для выделения специального класса диэлек­триков — сегнетоэлектриков, обладающих уникальным свойством, которое получи­ло название гистерезиса (от греч. hyste'resis— отставание, запаздывание).

В сегнетоэлектриках, как и в полярных диэлектриках (рис. 3, а), наблюдается явление насыщения для поляризованности Р. Однако если при повышении напряженности Е увеличение поляризованности Р определяется кривой 1 (рис. 3, б), то при сниже­нии Е имеет место «запаздывание» в уменьшении поляризованности Р (кривая 2).

Если Е=0, то Р ≠ 0, что указывает на наличие остаточной поляризации у сегнетоэлектрического образца (после выключения поля). Для снятия остаточной поляризации нужно создать электрическое поле противоположного направления Е = -Ек, (Ек — коэрци­тивная сила, от лат. coercitio — удерживание).

Дальнейшее уменьшение значения на­пряженности E<0 приводит к возникновению поляризации противополож­ного направления (Р < 0, см. продолжение кривой 2 при отрицательных значениях Р).

Последующее уменьшение модуля Е вновь характеризуется «запаздыванием» в изме­нении значения Р (кривая 3). В результате периодического изменения электрического поля Е (от -Е* до Е*) кривые 2,3 для поляризованности Р образуют характерную пет­лю гистерезиса. Кривая 1 называется основной кривой поляризации сегнетоэлектрика. Из рис. 3,б видно, что зависимость поляризованности Р от Е является неоднознач­ной функцией напряженности.

Для заданного значения Е₁(см. рис. 3б) образец может иметь одно из трех значений поляризованности Р (Р₁, Р₂ или Р_з).

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что поляризация сегнетоэлектриков является следствием взаимодействия всех молекул сегнетоэлектри­ка, в связи с чем диполи элементарных ячеек кристалла выстраиваются в определенном направлении под действием внутреннего электрического поля, созданного соседними молекулами сегнетоэлектрика.

При этом образуются самопроизвольно поляризован­ные области — домены (рис. 4, а), в пределах которых все упомянутые диполи ориентированы в одном направлении. Эта спонтанная (самопроизвольная) поляриза­ция соответствует минимуму энергии домена.

При отсутствии внешнего поля дипольные моменты доменов расположены хао­тически и макроскопический образец сегнетоэлектрика не поляризован (Р = 0). Если такой сегнетоэлектрик поместить во все возрастающее по модулю внешнее электри­ческое поле Е (рис. 4, б), то происходит переориентация доменов, отмечается пре­имущественное увеличение тех доменов, дипольные моменты которых ориентирова­ны в направлении поля Е, а также уменьшаются размеры доменов с противоположной ориентацией дипольных моментов. В достаточно сильных полях наступает явление насыщения (весь образец будет представлять собой один макродомен, рис. 4, в).

Область сегнетоэлектрического состояния вещества находится между нижней и верхней температурами Кюри (для сегнетовой соли Тк ^ниж =255 К, а Тк ^верх =297К). Превращение сегнетоэлектрика в обычный полярный диэлектрик может сопровож­даться скачкообразным изменением термодинамических функций — фазовый пере­ход первого рода, например у титаната бария (ВаТiOз), или плавным — фазовый пере­ход второго рода, например у сегнетовой соли NaKС₄Н₄О₆ · 4Н₂О.