Работа № 4 измерение температуры Кюри сегнетоэлектрика

ВВЕДЕНИЕ

Молекулы всякого диэлектрического тела, помещенного в электрическое поле, поляризуются, т.е. приобретают дипольный момент. Сумма дипольных моментов молекул в единице объема называется вектором поляризации (другое название – поляризованность). В большинстве диэлектриков вектор поляризации P связан линейным соотношением с напряженностью электрического поля в диэлектрике E:

P =e₀c E, (1)

где c – электрическая восприимчивость диэлектрика, e₀=0,885×10^-11ф/м – электрическая постоянная.

Однако, существует класс кристаллических диэлектриков, поляризованность которых отлична от нуля и в отсутствие электрического поля. Такие диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью называются сегнетоэлектриками. Величина вектора спонтанной поляризации сегнетоэлектрика зависит от температуры. С повышением температуры она уменьшается и при достижении сегнетоэлектриком определенной температуры Т_с, называемой температурой Кюри, спонтанная поляризованность исчезает. Спонтанная поляризованность в сегнетоэлектриках обычно не бывает однородной, т.е. в кристалле возникает ряд областей (чаще всего слоев) с различными направлениями поляризованности. Возникновение таких областей, называемых доменами, объясняется тем, что состояние кристалла со многими доменами оказывается энергетически более выгодным, то есть обладает меньшей энергией, нежели состояние, когда весь кристалл представляет собой один домен. При этом дипольный момент кристалла в целом оказывается равным нулю. Наличие доменов в сегнетоэлектриках приводит к тому, что величина вектора поляризации кристалла P неоднозначно зависит от величины электрического поля E в кристалле (см. рис. 1). Объясняется эта зависимость тем, что изменение поляризованности сегнетоэлектрика при увеличении напряженности электрического поля связано с изменением размеров доменов. Те домены, в которых угол между векторами P и E острый – растут, другие, в которых этот угол тупой, – уменьшаются.

Этот процесс носит необратимый характер, поэтому при снятии внешнего поля кристалл остается поляризованным. Величина этой поляризованности носит название остаточной. Чтобы полностью уничтожить поляризованность, необходимо создать в кристалле поле противоположного направления по сравнению с направлением поляризованности. Величина этого поля Е с носит название коэрцитивной силы. Зависимость Р от Е, изображенная на рис. 1, называется петлей гистерезиса.

Рис. 1

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика оказывается очень большой (e~10³–10⁴), кроме того, она зависит от температуры. Вблизи температуры Кюри диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависит от температуры по закону Кюри:

, (2)

обращаясь в бесконечность при T = T_c (см. Рис 2а).

В (2) значение const при T < T_c отличается от ее значения при T > T _c.

Заметим, что , т.е. эта величина обращается в нуль в точке Кюри. При этом вблизи температуры Кюри график зависимости 1/e от температуры линеен (см. рис. 2б).

Отметим, что переход диэлектрика из сегнетоэлектрического состояния в несегнетоэлектрическое является фазовым переходом, в котором происходит изменение структуры кристаллической решетки.