Кафедра конструювання і технології електричної ізоляції
Тема: Дослідження сегнетоелектриків
Мета роботи: дослідження основних діелектричних властивостей сегнетоелектриків в залежності від напруженості зовнішнього електричного поля і температури Осциллографическое методом.
Основні відомості з теорії
Сегнетоелектриками називається особлива група діелектриків, яка нижче певної температури або в деякому інтервалі температур володіє мимовільної (спонтанної) поляризацією, тобто знаходяться в поляризованому стані при відсутності зовнішнього електричного поля. Свою назву вони отримали від сегнетової солі, яка з'явилася історично першим сегнетоелектриків.
Всі відомі сегнетоелектрики можна розділити на дві основні групи: протонні сегнетоелектрики - речовини, що містять водень (сегнетова сіль, змішані кристали, родинні сегнетової солі, Дигідрофосфат і дігідроарсенати калію, амонію і їх дейтерію-заміщені солі) і речовини не містять водню (титанат барію, титанат свинцю, родинні по структурі ізоморфні суміші титаната барію та інші сполуки). За структурою, складом і властивостями ці дві групи значно відрізняються один від одного. Перша група сегнетоелектриків характеризується складною структурою, в них причиною виникнення спонтанної поляризації прийнято вважати протон. Ці кристали мають спонтанну поляризацію при низьких температурах, відрізняються крихкістю, внаслідок чого їх практичне застосування утруднене і дещо обмежено.
Другу групу складають беспротонние сегнетоелектрики, відмінною рисою структури яких є октаедричні оточення іонами кисню меншого за розмірами катіона. Це групу називають сегнетоелектриками киснево-октаедричного типу. Завдяки високим електричним характеристикам, простоті отримання, різноманітності властивостей сегнетоелектрики другої групи знаходять широке застосування в різних областях техніки.
Наявність спонтанної поляризації визначає ряд особливих властивостей сегнетоелектриків.
- Висока діелектрична проникність.
- Нелінійна залежність діелектричної проникності від температури і наявність точки Кюрі (рис. 1).
- Нелінійна залежність вектора спонтанної поляризації і діелектричної проникності від напруженості зовнішнього електричного поля (рис. 2).
- Діелектричний гістерезис (рис. 3).
Мал. 1. Температурна залежність діелектричної проникності сегнетоелектріка
Мал. 2. Залежність поляризованности Р і діелектричної проникності e сегнетоелектріка від напруженості зовнішнього електричного поля
З теорій сегнетоелектрики відомі: термодинамічна - найбільш повна і сувора, і теорія локальних мінімумів - менш сувора, але більш наочна.
Мимовільна поляризація виникає в речовинах, що мають доменну структуру. Домен - макроскопічна область, усередині якої електричні моменти окремих частинок рівні по величині і розташовані паралельно.
Згідно термодинамічної теорії доменна структура в речовині виникає в тому випадку, якщо при цьому за рахунок упорядкованого розташування частинок забезпечується мінімум повної енергії системи.
Для характеристики ступеня впорядкованості частинок в сегнетоелектриках Гінзбург вибрав величину квадрата вектора поляризованности, так як величина вільної енергії не залежить від його напряму, і вільну енергію однодоменних изотропного ненапряженного кристала сегнетоелектріка висловив у вигляді наступного ряду:
де F0 - вільна енергія кристала в параелектріческой фазі;
P - модуль вектора поляризованности;
- коефіцієнти розкладання, залежні від властивостей речовини, причому