Основные свойства диэлектриков. Сегнетоэлектрики презентация

ПОВТОРЕНИЕ
Если диэлектрик поместить в электрическое поле напряженностью Е0, то в результате поляризации в нем создаются объемные заряды, собственное поле которых равно Еi.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
или
Напряженность электрического поля E изменяется скачком при переходе из одной среды в другую.
Имеем границу раздела двух сред с ε1 и ε2, так что, ε1 < ε2.

Главная задача электростатики – расчет электрических полей, то есть напряженности электрического поля Е в различных электрических устройствах, конденсаторах и др.
Эти расчеты сами по себе не просты. Кроме того, наличие разного сорта диэлектриков и проводников еще более усложняют задачу.
ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ

отсюда можно записать:
ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ

ПРОИЗВОЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРА Е

ПРОИЗВОЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРА D

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЕ ВЕКТОРОВ Е И D НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ
В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация.
Всю группу веществ, для которых характерно наличие спонтанной поляризации, назвали сегнетоэлектрики (англ. ferroelectrics).
Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно, вектор поляризации в разных направлениях разные.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ
Значение ε зависит не только от внешнего поля E0, но и от предыстории образца.
Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические свойства пропадают.
Например, титанат бария: 133º С;
сегнетова соль: – 18 + 24º С;
ниобат лития: 1210º С.
Диэлектрическая проницаемость ε (а следовательно, и Р ) нелинейно зависит от напряженности внешнего электростатического поля (нелинейные диэлектрики).

Нелинейная поляризация диэлектриков называется диэлектрическим гистерезисом
Ес – коэрцитивная сила, Pс – остаточная поляризация
Состояние насыщения

Стремление к минимальной потенциальной энергии и наличие дефектов структуры приводит к тому, что сегнетоэлектрик разбит на домены
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

ДОМЕНЫ
а) – зарождение новых доменов (нуклеация)
b) – дальнейший рост доменов по толщине кристалла
с) – рост доменов «вширь»
d) – сращивание доменов
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/128.pdf

ДОМЕНЫ
Рост гексагональных доменов (Pb5Ge3O11)
а) – изображение в поляризационном микроскопе
b) – схема движения доменной стенки
Доменная стенка
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/128.pdf

ДОМЕНЫ
Рост треугольных доменов под действием внешнего импульсного поля (Pb5Ge3O11)
а) – изображение в поляризационном микроскопе
b) – схема движения доменной стенки
с) – схема роста домена
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/128.pdf

ДОМЕНЫ
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/608.pdf
Поверхностные нанодоменные структуры, индуцированные лазерным излучением на поверхности ниобата лития
(оптическая микроскопия)

Некоторые диэлектрики поляризуются не только под действием электрического поля, но и под действием механической деформации. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.
Явление открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ
Если на грани кристалла наложить металлические электроды (обкладки) то при деформации кристалла на обкладках возникнет разность потенциалов. Если замкнуть обкладки, то потечет ток.
Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами

Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект:
Возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями.
Если на пьезоэлектрический кристалл подать напряжение, то возникнут механические деформации кристалла, причем, деформации будут пропорциональны приложенному электрическому полю Е0.
Автор: Tizeff - Template:Ownnn, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2961245

ПИРОЭЛЕКТРИКИ
Пироэлектричество – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при их нагревании или охлаждении.
При нагревании один конец диэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении он же – отрицательно.
Появление зарядов связано с изменением существующей поляризации при изменении температуры кристаллов.
Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот.
Некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

В качестве примеров использования различных диэлектриков можно привести:
сегнетоэлектрики – электрические конденсаторы, ограничители предельно допустимого тока, позисторы, запоминающие устройства;
пьезоэлектрики – генераторы ВЧ и пошаговые моторы, микрофоны, наушники, датчики давления, частотные фильтры, пьезоэлектрические адаптеры;
пироэлектрики – позисторы, детекторы ИК-излучения, болометры (датчики инфракрасного излучения), электрооптические модуляторы.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Конец слайда
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

При высоких температурах проводимость может быть также обусловлена ионами самого материала.
Конец слайда
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Различают объёмную и поверхностную проводимость.
Объёмная проводимость создаётся ионами примесей и ионами самого диэлектрика, которые, находясь в состоянии первоначального закрепления и совершая тепловые колебания, способны преодолеть силы взаимодействия с другими молекулами и перейти в новое положение временного закрепления, В отсутствие электрического поля направления перемещения ионов равновероятны, и ток равен нулю. При наличии поля движение ионов создаёт ток.
Ток, создаваемый движением ионов, называют током сквозной проводимости.
ВИДЫ ПРОВОДИМОСТИ

Поверхностная проводимость обусловлена наличием влаги, загрязнениями, различными дефектами на поверхности диэлектрика. По способности реагировать на влагу различают гидрофобные и гидрофильные материалы. Гидрофобные практически не смачиваются, и их удельное сопротивление велико. Гидрофильные смачиваются (адсорбируют влагу), и на поверхности образуется непрерывный токопроводящий слой. Адсорбцией влаги обладают полярные и ионные диэлектрики. Для уменьшения поверхностной электропроводности эти материалы защищают гидрофобными покрытиями.
ВИДЫ ПРОВОДИМОСТИ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Диэлектрическими потерями называют мощность, расходуемую электрическим полем на поляризацию диэлектрика. Эта мощность выделяется в виде тепла. Потери обусловлены медленными поляризациями и электропроводностью диэлектрика.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрики – изоляционные материалы. Повышение напряжения свыше UПР может привести к пробою диэлектрика
Электрическая прочность ℰПР – минимальная напряжённость однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика.
dД – толщина диэлектрика.

Электрический пробой
Тепловой пробой
Поверхностный пробой
Электро-химическческий пробой

Электрический пробой. Ударная ионизация атомов. Лавинообразный процесс нарастания тока. Развитие в течение 10-7…10-5 с. Процесс обычно локализован в узкой области. Появляется разрядный канал, внутри которого повышается давление, что приводит к появлению трещин или к полному разрушению диэлектрика. Обычно этот вид пробоя наступает при ℰПР = 103 МВ/м
Тепловой пробой наступает, когда количество теплоты, выделяемой в диэлектрике, превышает количество теплоты, отводимой от него в окружающую среду. Расплавление или обугливание

Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием поля или разрядов в окружающей среде
Поверхностный пробой. Пробивается воздух вблизи поверхности твёрдого диэлектрика. Появляется проводящий канал. Напряжения пробоя зависит от давления, температуры и влажности воздуха. Для предотвращения поверхностного пробоя поверхность изолятора делают ребристой. Эффективная мера борьбы – замена воздуха жидким диэлектриком