Сегнетоэлектрики. 
Активные диэлектрики

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены — это макроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике. Линейные размеры доменов составляют 0.001 — 1 мм. Направление электрических моментов у разных доменов различно. В результате суммарная поляризованность образца в целом равна нулю.

Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов доменов, происходит процесс зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ. В итоге происходит переориентация вектора спонтанной поляризации в направлении внешнего поля. Это создает эффект очень сильной поляризации и обусловливает сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков (до сотен тысяч). Зависимость поляризованности Р от напряженности поля Е нелинейна и при циклическом изменении Е имеет вид петли гистерезиса (рис. 34). Напряженность поля Ес, при которой происходит изменение направления поляризованности называют коэрцитивной силой. Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительных затратах энергии, связанных с ориентацией доменов. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Поэтому сегнетоэлектрики характеризуются большим значением тангенса угла потерь (tg = 0.1).

Наличие петли гистерезиса является основным свойством сегнетоэлектриков, которое отличает их от других классов диэлектриков. Другим характерным параметром сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри — температура при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагревании) спонтанная поляризация, а диэлектрическая поляризация достигает своего максимального значения. После достижения точки Кюри доменная структура распадается и сегнетоэлектрик переходит в пароэлектрическое состояние. Это сопровождается резким уменьшением tg, поскольку исчезают потери на гистерезис. При температурах выше точки Кюри зависимость диэлектрической проницаемости от температуры подчиняется закону Кюри-Вейсса (C — константа Кюри; - температура Кюри-Вейсса).

По типу химической связи и физическим свойствам сегнетоэлектрики подразделяют на ионные и дипольные кристаллы.

К ионным сегнетоэлектрикам относится титанат бария (BaTiO3), титанат свинца (PbTiO3), ниобат лития (LiNbO3), танталат лития (LiTaO3) и др. Эти соединения не растворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются в виде поликристаллов по керамической технологии, имеют более высокую температуру Кюри и большее значение спонтанной пояризованности, чем дипольные сегнетоэлектрики.

К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, дигидросульфат калия (KH2PO4), нитрит натрия (NaNО2) и др. Дипольные сегнетоэлектрики очень хорошо растворяются в воде и обладают малой механической прочностью, точка Кюри у многих из них намного ниже комнатной температуры.

Сегнетоэлектрики применяются для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов, термоэлектрических и пироэлектрических преобразователей, диэлектрических усилителей и модуляторов, ячеек памяти и преобразователей лазерного излучения.

Конденсаторная сегнетокерамика должна иметь наибольшую величину диэлектрической проницаемости с малой зависимостью ее от температуры, небольшие потери, наименьшую зависимость Е и tg от напряженности электрического поля (малую нелинейность), высокие значения удельного объемного и поверхностного сопротивления и электрической прочности. Оптимизация электрических характеристик достигается подбором концентрации компонентов сегнетоэлектрика.

В промышленности используют несколько сегнетоэлектрических материалов, каждый из которых применяют для определенных типов конденсаторов.

Сегнетоэлектрики, обладающие резко выраженными нелинейными свойствами, применяются для нелинейных конденсаторов — варикондов. Одна из основных характеристик вариконда — это коэффициент нелинейности K = Cmax/Cнач., величина которого может принять от 4 до 50. Нелинейные диэлектрические элементы, обычно в тонкопленочном исполнении, являются основой различных радиотехнических устройств — параметрических усилителей, низкочастотных усилителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, модуляторов, стабилизаторов напряжения и др.