Краткие сведения из теории

Сегнетоэлектриками называют кристаллические диэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых достигает больших значений (порядка 10⁴…10⁵) и зависит от напряженности электрического поля, температуры и предварительной поляризации.

При поляризации любого диэлектрика , где  – вектор электрического смещения,  – вектор напряженности внешнего электрического поля, – поляризованность диэлектрика, которая представляет собой электрический момент единицы его объема, e_o – электрическая постоянная.

Поляризованность вещества пропорциональна напряженности электрического поля:  где c – абсолютная диэлектрическая восприимчивость вещества. В силу этого . Параметр                                            (6.1) носит название абсолютная диэлектрическая проницаемость и характеризует способность диэлектрика к поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость определяется выражением .                                                                                       (6.2)

Сегнетоэлектрики обладают самопроизвольной (спонтанной) поляризацией, связанной с наличием в структуре материала микроскопических областей – доменов, внутри которых диэлектрик поляризован до насыщения. Отдельные домены имеют различные направления электрических моментов. Результирующий электрический момент при этом равен нулю. Если сегнетоэлектрик подвергнуть воздействию внешнего электрического поля, домены ориентиру­ются по полю, и он оказывается поляризованным во всем объеме.

Вследствие доменной структуры поляризованность и диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигает огромных по сравнению с линейными диэлектриками значений.

Процесс поляризации сегнетоэлектриков во внешнем электрическом поле имеет две основные стадии. На первой стадии происходит смещение границ и рост тех доменов, ориентация векторов поляризации которых наиболее близка к ориентации внешнего поля. На второй – вращение векторов поляризации доменов и их установка параллельно направлению поля. В сильных полях число доменов, не сориентированных по полю, уменьшается, что приводит к постепенному замедлению поляризации – насыщение сегнетоэлектрика.

При циклическом изменении напряженности поля в сегнетоэлектрике наблюдается явление диэлектрического гистерезиса, состоящее в фазовом запаздывании электрического смещения относительно напряженности внешнего поля (рис.6.1).

Кривая, соединяющая вершины гистерезисных циклов поляризации называется основной кривой поляризации. На рис. 6.2 приведены типовые графики основной кривой поляризации и зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля. При определенной напряженности Е_а, которая соответствует касательной 0а, проведенной из начала координат к кривой D = f(E), диэлектрическая проницаемость e достигает максимального значения.

Переполяризация сегнетоэлектрика связана с достаточно большими затратами энергии. Электрическая мощность, затрачиваемая за один цикл, пропорциональна площади гистерезисной диаграммы S_DE и объему сегнетоэлектрика V. При периодической переполяризации мощность пропорциональна частоте f.

                                      (6.3)

где M_D, M_E – масштабы осей в координатах «смещение-напряженность», M_Q, M_U – масштабы осей в координатах «заряд-напряжение».

В качестве оценки диэлектрических потерь часто применяют тангенс угла диэлектрических потерь, который может быть определен из выражения для активной мощности, потребляемой конденсатором. При параллельной схеме замещения конденсатора:

.

Отсюда                                                                                                (6.4)

Поляризация сегнетоэлектриков в сильной степени зависит от температуры. У большинства сегнетоэлектриков гистерезис и нелинейность кулон-вольтной характеристики проявляются при всех температурах вплоть до некоторой предельной, которая соответствует максимуму диэлектрической проницаемости и называется точкой Кюри. Выше этой температуры происходит обратимое изменение структуры материала (разрушение доменов) и исчезновение сегнетоэлектрических свойств. Диэлектрическая проницаемость при этом резко уменьшается (рис. 6.3).

сегнетоэлектрическими свойствами обладают сегнетова соль, титанат бария, титанат и ниобат лития и др. Сегнетоэлектрики применяются в электрических конденсаторах большой емкости, нелинейных конденсаторах (вариконды), в пьезоэлектрических излучателях и приемниках звука и ультразвука, в качестве нелинейных элементов в оптических системах, электронике и вычислительной технике и т.д. 

2. Описание экспериментальной установки

Схема осциллографического исследования сегнетоэлектриков показана на рис. 6.4. Установка питается от сети переменного тока с напряжением 220 В. Напряжение на входе измерительной цепи регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа). Емкость исследуемого плоского сегнетоэлектрического конденсатора С_x, значительно меньше (на один-два порядка) емкости образцового конденсатора С_о1. Поэтому, когда конденсатор С_x под­ключен (переключатель П в положении «1»), заряд в измерительной цепи , т. е. полностью определяется свойствами нелинейного конденсатора, и напряжение U_о1, подаваемое на вертикальные пластины электронного осциллографа (ЭО), пропорционально заряду Q_x. На горизонтальные пластины осциллографа через делитель R_l - R₂ подается часть общего напряжения U » U_x. Погрешность будет тем меньше, чем больше отношение емкостей C_о1 и С_x. В результате на экране осциллографа будет наблюдаться гистерезисная диаграмма поляризации Q(U). Положение «2» переключателя П, когда подключается емкость С_о2 << С_о1 , служит для определения масштабов осциллографа по осям x и у.