Badanie własności ferroelektrycznych

kryształu siarczanu trójgliceryny

Rodzaje materiałów dielektrycznych.

Dielektrykami nazywamy ogólnie materiały, których rezystywność
w warunkach normalnych jest większa od 10
Ωm.

Pod względem struktury atomowej lub cząsteczkowej dielektryki możemy podzielić na materiały złożone z:

• atomów o zapełnionych zewnętrznych powłokach elektronowych (gazy szlachetne);

• cząsteczek kowalentnych (gazy nieszlachetne);

• cząsteczek kowalentnych dipolowych (większość dielektryków organicznych);

• jonów tworzących sieć krystaliczną;

Najlepsze właściwości dielektryczne mają dielektryki złożone z atomów lub cząsteczek obojętnych, a najgorsze - dielektryki jonowe. Charakterystyczne dla dielektryków jest to, iż po umieszczeniu ich w zewnętrznym polu elektrycznym lub poddaniu działaniu takich czynników, jak naprężenia mechaniczne lub
promieniowanie termiczne, wykazują one zmianę przestrzennego rozkładu związanych ze sobą cząstek lub fragmentów atomów będących nośnikami różnoimiennych ładunków elektrycznych. W przypadku uporządkowanego

w skali makro rozseparowania przestrzennego dodatniego i ujemnego ładunku mówimy o polaryzacji dielektryka. Ogólnie możemy zapisać :

=є

+
(
T,
,
)

- wektor natężenia zewnętrznego pola elektrycznego;

- wektor indukcji pola elektrycznego;

- wektor polaryzacji danego dielektryka;

- wektor naprężenia mechanicznego;

T - zmiana temperatury;


- przenikalność elektryczna próżni;

Gdy wektor polaryzacji dielektryka jest funkcją wywieranego naprężenia mechanicznego, mówimy, że materiał ten jest piezoelektrykiem. W zasadzie rozróżniamy dwa zjawiska piezoelektryczne : proste i odwrotne. Proste zjawisko piezoelektryczne występuje, gdy wskutek naprężenia mechanicznego na zewnętrznych, przeciwległych powierzchniach danego dielektryka pojawia się ładunek elektryczny, czyli występuje polaryzacja dielektryka. Odwrotne zjawisko piezoelektryczne występuje, gdy dielektryk po umieszczeniu go w polu elektrycznym zmienia swoje wymiary geometryczne.

Ferroelektrykami nazywamy substancje, w których występują samoistnie spolaryzowane obszary ( domeny ). Zewnętrzne pole elektryczne powoduje uporządkowanie polaryzacji domen ferroelektryka w swoim kierunku.

Przy zmianie zewnętrznego pola elektrycznego obserwuje się charakterystyczną pętlę histerezy ferroelektrycznej. Wśród ferroelektryków rozróżniamy ferroelektryki właściwe, antyferroelektryki i ferrielektryki.

Wyróżniamy jeszcze klasę materiałów zwanych ferrodielektrykami. Są to materiały będące jednocześnie ferromagnetykami i dielektrykami.

Elektrety lub elektresy (elektryczne odpowiedniki magnesów) są to substancje, które przez długi okres czasu zachowują stan naelektryzowania i tym samym stanowią źródło pola elektrycznego w otaczającej je przestrzeni.

Parametry opisujące właściwości dielektryczne.

Gdy wektor polaryzacji
możemy uznać za liniową funkcję natężenia zewnętrznego pola elektrycznego
, czyli

;

- podatność dielektryczna;

to możemy zapisać:

;

- względna przenikalność dielektryczna danej substancji

Wektor polaryzacji jest definiowany jako elektryczny moment dipolowy przypadający na jednostkę objętości materiału. Jako taki może być wyrażony wzorem :

;

n - koncentracja objętościowa dipoli;

- polaryzowalność dielektryka;

- natężenie lokalnego pola elektrycznego;

Gdy dielektryk umieścimy w zmiennym polu elektrycznym, to zmiany tego pola indukują zmiany orientacji przestrzennej dipoli lub domen składających się na całkowity wektor polaryzacji
. Proces tworzenia i zaniku dipoli lub zmiany ich orientacji przestrzennej w dielektryku jest procesem niezachowawczym. Jako taki pociąga za sobą straty energii pola elektrycznego wywołującego ten proces. Straty te nazywamy stratami dielektrycznymi. Mogą one mieć charakter przewodnościowy lub polaryzacyjny. Powstawaniu strat sprzyjają wszystkie defekty budowy danego materiału.

W związku z występowaniem strat dielektrycznych do opisu materiałów wprowadza się pojęcie zespolonej przenikalności dielektrycznej:

- rzeczywista przenikalność dielektryczna;

- współczynnik stratności;

Niekiedy używa się pojęcia tzw. współczynnika rozpraszania lub pojęcia tzw. tangensa kąta strat dielektrycznych:

tg
=
;

I
- natężenie tzw. prądu strat;

I
- natężenie prądu pojemnościowego;

Przenikalność dielektryczna ferroelektryków w fazie paraelektrycznej (tzn. dla T>
, gdzie T - temperatura,
- temperatura przejścia fazowego, czyli tzw. temperatura Curie) spełnia prawo Curie - Weissa :

;

C
- stała Curie - Weissa (w przypadku siarczanu trójglicyny C
=3.2*10
K );

W temperaturze Curie obserwuje się anomalny wzrost przenikalności dielektrycznej. Przy tym rozróżnia się dwie klasy ferroelektryków :
a) substancje charakteryzujące się występowaniem dwóch wartości tzw. temperatury Curie;
b) substancje, dla których obserwuje się występowanie jednej charakterystycznej temperatury Curie;
W temperaturach wyższych od temperatury Curie polaryzacja spontaniczna ferroelektryków zanika.

Kryształ siarczanu trójglicyny.

Kryształ siarczanu trójglicyny (NH
CH
COOH)
H
SO
, jest ferroelektrykiem posiadającym strukturę krystaliczną jednoskośną. Płaszczyzna (001) jest płaszczyzną łupliwości tego kryształu. Kryształ posiada śrubową dwukrotną oś symetrii oraz polarną oś symetrii zgodną z kierunkiem polaryzacji spontanicznej. Powyżej punktu Curie kryształ pozostaje nadal jednoskośny, ale w jego strukturze pojawia się środek symetrii, a komórka elementarna traci moment dipolowy.

W tym ferroelektryku występuje silna anizotropia przenikalności dielektrycznej, przy czym maksimum
obserwuje się w kierunku osi polarnej.
W fazie ferroelektrycznej
rośnie wraz ze wzrostem temperatury osiągając wartość maksymalna w temperaturze Curie i maleje w fazie paraelektrycznej zgodnie z prawem Curie - Weissa. Przy ochładzaniu kryształu występuje tzw. histereza temperaturowa i gwałtowne zmniejszenie
poniżej temperatury Curie. Efekt ten tłumaczy się silnym wzrostem pola wewnętrznego, który prowadzi do pojawienia się stanu nasycenia polaryzacji. Przy obniżaniu temperatury poniżej temperatury Curie polaryzacja spontaniczna rośnie, natomiast przenikalność elektryczna maleje. W przypadku kryształu siarczanu trójglicyny
w temperaturze Curie zachodzi przemiana fazowa II rodzaju typu porządek - nieporządek. Polaryzacja spontaniczna zanika w sposób ciągły
w pobliżu temperatury Curie.

---