Лекции по Электрическому приводу

6.5. Пироэлектрики и сегнетоэлектрики

В некоторых кристаллах суммарный дипольный момент отличен от нуля даже в отсутствие внешнего электрического поля. Такого рода кристаллы называют самопроизвольно или спонтанно поляризованными кристаллами. Другое название этих кристаллов пироэлектрики. Это название появилось потому, что пироэлектрики обнаруживают по возникновению заряда на их поверхности при нагревании или охлаждении. С помощью пироэлектриков можно измерять изменение температуры на 10^-6 °С.

Пироэлектрический эффект обычно усложняется тем, что каждый пироэлектрический кристалл является одновременно и пьезоэлектриком. Поэтому неоднократное изменение температуры кристалла вызывает деформацию, а последняя породит "вторичную" поляризацию пьезоэлектрического происхождения, налагающуюся на "первичную" пироэлектрическую поляризацию.
В пироэлектрических кристаллах может наблюдаться электрокалорический эффект – изменение температуры пироэлектрика, вызванное изменением величины электрического поля (например, при внесении пироэлектрика в электрическое поле).
Электрокалорический эффект – изменение температуры диэлектрика под влиянием электрического поля. В пироэлектриках изменение температуры пропорционально изменению напряженности поля Е, в других веществах наблюдается лишь меньший по величине квадратичный электрокалорический эффект [3].
Пироэлектрический эффект – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (пироэлектриков) при .их нагревание или охлаждение. Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие поляризацией в отсутствии электрического поля и других внешних воздействий. Типичный пироэлектрик – турмалин; в нем при изменение температуры на 1°С возникает электрическое поле Е - 400 В / см. Один конец пироэлектрика при нагревании заряжается положительно, а при охлаждение отрицательно, другой - наоборот. Интенсивность электризации максимальна, если скорость изменения температуры выше скорости релаксации заряда.
Появление электрических зарядов на поверхности пироэлектрика связано с изменением существующей в нем поляризации при изменение в нем температуры [3].
Пироэлектрики используются в технике в качестве индикаторов и приемников излучений.
Сегнетоэлектрики – частный случай пироэлектриков.
В сегнетоэлектриках также самопроизвольно возникает поляризация, но только в некотором интервале температур. Температура, при которой происходит исчезновение спонтанной поляризации, называется сегнетоэлектрической температурой Кюри. При температуре Кюри в сегнетоэлектриках наблюдается максимум диэлектрической проницаемости, а ее изменение вблизи этой температуры происходит скачками. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрик переходит в пароэлектрическое состояние.
Сегнетоэлектрики – это электрические аналоги ферромагнетиков, которые, как известно, самопроизвольно намагничиваются и имеют точку Кюри. Поэтому сегнетоэлектрики иногда называют ферроэлектриками. Они отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезоэффектом, наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическими свойствами.
Кроме сегнетоэлектриков, которые можно рассматривать как совокупность параллельно ориентированных диполей, есть вещества с антипараллельным расположением диполей. Их называют антисегнетоэлектриками.
При наложении достаточно сильного электрического поля антисегнетоэлектрики могут перейти в сегнетоэлектрическое состояние При таком вынужденном фазовом переходе в сильном переменном поле наблюдаются двойные петли гистерезиса. Критическое поле, при котором в антисегнетоэлектриках возникает сегнетоэлектрическая фаза, уменьшается при увеличении температуры. В некоторых случаях с ростом температуры наблюдаются переходы из сегнетоэлектрического состояния в антисегнетоэлектрическое, а затем в пароэлектрическое.
Сегнетоферромагнетики – это сегнетоэлектрики, в которых наблюдается упорядочение магнитных моментов. В них могут существовать различные виды электрического и магнитного упорядочения: сегнетоэлектричество или антисегнетоэлектричество с ферромагнитизмом, антиферромагнетизмом или ферромагнетизмом.
Сегнетоэлектрические и ферромагнитные точки Кюри у таких веществ не совпадают. Но в сегнетоэлектрической точке Кюри наблюдается аномалия магнитных свойств, а в магнитной аномалия диэлектрических. Кроме того, при наложении магнитного (электрического) поля наблюдается изменение электрической (магнитной) проницаемости – магнитоэлектрический эффект.
Магнитоэлектрический эффект – возникновение в кристаллах намагниченности J при помещении их в электрическое поле Е. Эффект возможен только в магнитоупорядоченных кристаллах (антиферро-, ферри-, ферромагнетиках). Экспериментально был открыт в 1960 г. Астровым в кристалле Сг₂О₃ Величина магнетоэлектрического эффекта мала. Существует и обратный эффект -возникновение электрической поляризации Р при помещении кристалла в магнитное поле Н [3].
Влияние электрического поля и механических напряжений на сегнетоэлектрический эффект.
Наложение электрического поля вдоль полярной оси увеличивает устойчивость сегнетоэлектрического состояния, расширяет область температур, в которой существует спонтанная поляризация. В антисенгетоэлектриках в сильных электрических полях температура Кюри понижается.
Некоторые сигнетоэлектрики выше точки Кюри обладают пьезоэффектом. Приложение к таким веществам в параэлектрической фазе механического напряжения по эффекту эквивалентно приложенного напряжения.
В водородосодержащих сегнетоэлектриках наложение гидростатического давления повышает температуру Кюри.
Если в сегнетоэлектрике наблюдаются низкотемпературные переходы, на кривых температурных зависимостей диэлектрических свойств обычно наблюдаются аномалии, соответствующие этим переходам. Антисегнетоэлектрический фазовый переход сопровождается аномалией теплоемкости ирконата свинца – 400 ккал/моль); может наблюдаться аномальное изменение объема и коэффициента теплового расширения.
При нагреве сегнетоэлектрического кристалла происходит уменьшение спонтанной поляризации, что эквивалентно появлению пироэлектрического заряда на поверхности кристалла.
Новый тип сегнетоэлектрического полинейного элемента тактандел-температурно автостабилизированный диэлектрический нелинейный элемент сам стабилизирует свою температуру вблизи точки Кюри.
На возрастание электросопротивления в области температуры Кюри основаны сегнетоэлектрические термосопротивления с продолжительным температурным коэффициентом (ТКС- +60%/градус) - позисторы.

6.6. Электреты

Электреты – электрические аналоги поэтапных магнитов. Они длительно сохраняют наэлектризованное состояние и создают вокруг себя электрическое поле. Электреты получаются либо охлаждением нагретого диэлектрика (воска, церезина, нейлона и т.д.) в сильном электрическом поле, либо освещением (или радиоактивным облучением) фотопроводящих диэлектриков, также в сильном поле. Применение электретов связано в основном с наличием у них постоянного электрического поля.