Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
5. Одна из характерных особенностей сегнетоэлектриков состоит в том, что значения диэлектрической проницаемости в полярной фазе аномально велики. Для сегнетовой соли в максимуме є л? 10 ООО, для титаната бария емакс л? 6000 —7000.
В неполярной фазе сегнетоэлектрик ведет себя как обычный линейный диэлектрик, в котором поляризация пропорциональна электрическому полю. Однако поляризуемость а и диэлектрическая проницаемость е меняются с температурой. Вблизи точки Кюри имеет место закон Кюри — Вейсса, т. е. соотношение
где Си Г0 - постоянные, из которых Т0 называется температурой Кюри — Вейсса. Она очень мало отличается от температуры Кюри Тк, при которой происходит фазовый переход из полярной фазы в неполярную (или обратно); этим различием обычно пренебрегают. Если точек Кюри две, то в окрестности каждой из них в неполярной фазе выполняется закон Кюри — Вейсса: вблизи верхней точки — в прежней форме (39.1), вблизи нижней = в форме
(конечно, с другими постоянными С' и Т0). Мы видим, что и в неполярной фазе в окрестности точки Кюри величины е и а также ано-' мально велики.
На рис. 102 представлена температурная зависимость диэлектрической проницаемости еа монокристалла сегнетовой соли вдоль полярной оси а (по измерениям Хаблютцеля). Аналогичная кривая для титаната бария (по измерениям Мерца) представлена на рис. 103. У титаната бария в тетрагональной фазе два главных значения диэлектрической проницаемости: гс вдоль полярной оси и еа вдоль перпендикулярной к ней оси. Они и приведены на графике для одно-
С
(39.1)
a T_To,
(39.2)
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
167
доменного кристалла (см. ниже). В орторомбической и'тетрагональной фазах е измерена в тех же направлениях. В этих фазах кристалл разделяется на домены (см. ниже). С разделением на домены связано
-гоз -iso ~т -ви -4/7 о ьо
і, °С
Рис 102.
Рис. 103.
то обстоятельство, что кривые, снятые при возрастании и убывании электрического поля, в окрестности точек фазовых превращений не совпадают между собой.
6., Спонтанно поляризованный сегнетоэлектрик в полярной области температур должен обладать большей устойчивостью, чем тот же сегнетоэлектрик в неполяризованном состоянии. В противном случае в этой области температур должен был бы происходить самопроизвольный переход сегнетоэлектрика в неполяризован-
168
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
ІГЛ. I
ную фазу, чего на самом деле не происходит. Поэтому к проблеме сегнетоэлектричества применимы общие принципы термодинамического равновесия — условия минимума энергии или какой-либо другой термодинамической функции в зависимости от того, какие термодинамические параметры поддерживаются постоянными. Из этих принципов следует, что уже в отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрик, если только размеры его достаточно велики, должен самопроизвольно делиться на области с различными направлениями вектора поляризации, называемые доменами (точнее, диэлектрическими доменами). Действительно, поляризованный кристалл создает электрическое поле не только внутри, но и во внешнем пространстве. Внешнему полю соответствует определенная электрическая энергия. Полная энергия кристалла складывается из трех частей: 1) суммы внутренних энергий всех доменов, 2) энергии внешнего электрического поля, 3) поверхностной энергии на границах раздела доменов. Энергия внешнего электрического поля максимальна, когда кристалл по всему объему поляризован однородно. Поэтому деление на домены может оказаться «энергетически выгодным», т. е. сопровождаться уменьшением полной энергии. Однако процесс деления сопровождается увеличением поверхностной энергии. Он прекратится, когда полная энергия достигнет минимума.
Если сегнетоэлектрик имеет одну полярную ось, то возможны только два взаимно противоположных направления поляризации доменов, параллельные этой оси. Такие сегнетоэлектрики имеют слоистую доменную структуру. В сегнетоэлектриках с несколькими полярными осями доменная структура более разнообразна. Число возможных направлений поляризации доменов в таких кристаллах вдвое больше числа полярных осей.
Экспериментальные доказательства доменной структуры сегне-тоэлектриков сначала были косвенными. Прямое доказательство дали наблюдения кристаллов сегнетоэлектрика в поляризованном свете. Другой метод основан на травлении поверхности сегнетоэлектрика. Например, положительный край домена ВаТі03 при травлении кислотой разрушается сильнее, чем отрицательный.
7. Благодаря доменной структуре дипольный момент кристалла сегнетоэлектрика в отсутствие внешнего электрического поля равен пулю, так как поляризация одних доменов компенсируется противоположно направленной поляризацией других. В этом смысле такой кристалл не поляризован. При наложении электрического поля происходит частичная переориентация доменов, а также рост одних доменов за счет других. Это ведет к появлению в кристалле поляризации Р. Зависимость Р от напряженности электрического поля Е представлена на рис. 104. Сначала рост Р происходит вдоль кривой О А. В точке А поляризация всех доменов оказывается ориентированной вдоль поля Е. Начиная с этой точки, дальнейшее
