Сегнетоэлектрики. 
Электричество и постоянный ток

В 1930;1934 г. И. В. Курчатов и П. П. Кобеко обнаружили и изучили группу диэлектриков, обладающих необычными диэлектрическими свойствами. Первоначально эти свойства были обнаружены в кристаллах сегнетовой соли и, поэтому, подобные по свойствам диэлектрики получили название сегнетоэлектриков (или ферроэлектриков).

Первая особенность сегнетоэлектриков заключается в том, что в некотором температурном интервале их диэлектрическая проницаемость достигает огромных значений (около 10 000). Вторым важным свойством является нелинейная зависимость электрического смещения и вектора поляризации от напряженности поля. Это объясняется зависимостью и от, которая для разных сегнетоэлектриков имеет разный характер. Третья особенность сегнетоэлектриков — это явление диэлектрического гистерезиса («hysteresis» по-гречески означает запаздывание). На рис. 1.20 представлена зависимость численного значения вектора поляризации от напряженности внешнего поля. С увеличением Е значение Р_е растет и достигает насыщения (в точке а). Если затем постепенно уменьшать Е до нуля, то Р_е, уменьшаясь, достигнет значения Р_ео (остаточная поляризация). Чтобы ее снять, потребуется поле обратного направления (-Е_к). Величина Е_к называется коэрцитивной силой. При дальнейшем циклическом изменении напряженности электрического поля зависимость Р_е от Е описывается петлеобразной кривой — петлей гистерезиса (рис. 1.20). Свойства сегнетоэлектриков сильно зависят от температуры. При температурах, превышающих определенное значение Т_к, сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик, то есть он утрачивает все характерные для него свойства. Эта температура называется точкой Кюри. В некоторых случаях, как, например, для сегнетовой соли, существуют две температуры Кюри (+24С и -18С) и сегнетоэлектрические свойства наблюдаются лишь в этом интервале. Наличие одной или нескольких точек Кюри является четвертым характерным свойством всех сегнетоэлектриков. Превращение сегнетоэлектрика в обычный диэлектрик при Т=Т_к сопровождается фазовым переходом II рода. Вблизи точки Кюри наблюдается резкое возрастание теплоемкости вещества.

Причиной описанных сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольное возникновение макроскопических областей, в которых дипольные моменты отдельных молекул ориентированы одинаково при отсутствии внешнего электрического поля. Области самопроизвольной поляризации называются доменами (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Области самопроизвольной поляризации (домены) в сегнетоэлектрике.

В каждой соседней области (домене) ориентация диполей различна и кристалл в целом дипольным моментом не обладает. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле начинают ориентироваться по полю сразу целые поляризованные области. Поэтому даже в слабых электрических полях сегнетоэлектрик обладает высокой диэлектрической проницаемостью. Эффект «запаздывания» Р_е от Е (рис. 1.20) и наличие остаточной поляризации при снятии внешнего поля обусловлены трудностями переориентации, т. е. превращения полностью поляризованного вещества в исходное состояние, имеющее доменное строение.

Сегнетоэлектрики имеют большое практическое значение в современной электрои радиотехнике. Например, титанат бария, обладающий высокой химической устойчивостью, механической прочностью и способностью сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале, широко применяется в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн. Огромные значения у сегнетоэлектриков дали возможность применять последние при изготовлении конденсаторов. Резкое изменение проводимости вблизи фазового перехода в некоторых сегнетоэлектриках используется для контроля и измерения температуры.

Все сегнетоэлектрики являются хорошими пьезоэлектриками (см. раздел 1.15.6), что позволяет их использовать в детекторах электромагнитных волн.