Особые диэлектрики

Поляризованность большинства диэлектриков исчезает, когда исчезает ее причина, то есть внешнее электрическое поле. Однако существуют такие диэлектрики, в которых поляризованность сохраняется. Их называют электретами.

Некоторые диэлектрики становятся электретами в результате специальных технологических операций, некоторые получают путем облучения. Электреты часто изготавливают из аморфных веществ, смол, полимеров, стекол.

Электреты сами создают электрическое поле в окружающем пространстве. Это позволяет использовать их в качестве источников постоянного электрического поля: в микрофонах, телефонах, датчиках, генераторах сигналов и т.д.

Значение диэлектрической проницаемости e диэлектриков изменяется в больших пределах от 1 до 10⁴. Особый практический интерес представляют диэлектрики с большой величиной e, к числу которых относятся сегнетоэлектрики.

Особенностью сегнетоэлектриков является гистерезис, то есть запаздывание изменения вектора поляризации по сравнению с изменением напряженности внешнего поля . С возрастанием вектор сначала увеличивается линейно, а затем рост будет замедляться, и, наконец, наступит насыщение. При уменьшении кривая пойдет по другому пути. В результате этого при снятии напряженности (Е₀= 0) поляризация в диэлектрике не обращается в нуль, диэлектрик ведет себя как большой постоянный диполь. Чтобы «разэлектризовать» диэлектрик, надо изменить направление поля . Увеличивая обратного поля, можно снять поляризацию диэлектрика. Продолжая процесс, увеличивая , можно вновь довести до насыщения, далее процесс повторяется в обратную сторону. График зависимости р(Е₀) при полном цикле электризации имеет вид петли гистерезиса (рисунок 27):

р₀ – остаточная поляризация, Е_к – коэрцитивная сила.

Явление сегнетоэлектричества объясняется тем, что в результате взаимодействия частиц в кристалле сегнетоэлектрика возникают области спонтанной (самопроизвольной) поляризации, называемые доменами. Под действием внешнего поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля, поэтому и возникает значительная поляризация. При некоторой температуре, характерной для каждого сегнетоэлектрика (точка Кюри), сегнетоэлектрические свойства исчезают.

Благодаря этим своеобразным свойствам, сегнетоэлектрики применяются как источники электрической энергии, как ячейки для записи и сохранения информации и др. В последние годы открыты новые сегнетоэлектрические материалы (метатитанат бария и др.), которые используются в качестве рабочего тела в лазерах (академик Вул).

Некоторые кристаллические диэлектрики поляризуются под действием механических воздействий. Поляризацию кристалла, вызванную его деформацией, называют пьезоэлектрическим эффектом.

Примерами пьезоэлектрических кристаллов являются сегнетовая соль, сахар, цинковая обманка, турмалин, кварц и др.

Для всех этих кристаллов характерно отсутствие центра симметрии. Наибольший пьезоэлектрический эффект достигается при деформации сжатия или растяжения кристаллической пластинки вдоль оси симметрии (продольный эффект) или перпендикулярно оси (поперечный эффект) (рисунок 28)

Изменение деформации на противоположную приводит к изменению полярности. Разность потенциалов между гранями пластины пропорциональна приложенной силе. Это позволяет использовать пьезоэлектрический эффект для измерения давления (пьезоэлектрический манометр), для изучения вибраций, деформаций и т.д. (пьезодатчики).

Пьезоэлектрический эффект обратим. Это значит, что кристаллическая пластинка, помещенная в электрическом поле, деформируется.

Явление обратного пьезоэффекта используется для возбуждения ультразвуковых волн, для стабилизации частоты генераторов электромагнитных колебаний, для воспроизведения звука и др.

Рисунок 28