Pole elektryczne
w ośrodku materialnym
Ryszard J. Barczyński, 2017
Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego
Stała dielektryczna
Stała dielektryczna dla różnych materiałów zmienia się w dosyć szerokich granicach, jej przykładowe wartości (w temperaturze pokojowej) przedstawia tabelka
Mechanizmy polaryzacji dielektryka
W przyrodzie istnieją cztery zasadnicze mechanizmy polaryzacji elektrycznej dielektryka: elektronowa, jonowa, dipolowa i ładunkiem
przestrzennym.
Polaryzacja elektronowa polega na deformacji chmur elektronowych w atomach dielektryka i rozsunięciu “środków ciężkości” ładunków
dodatnich jąder i ujemnych elektronów. Jest to proces szybki, obserwowany nawet przy prądach zmiennych odpowiadających ultrafioletowi.
Mechanizmy polaryzacji dielektryka
Polaryzacja jonowa zachodzi w substancjach o wiązaniach jonowym i polega na przesunięciu jonów o przeciwnych znakach w przeciwne strony.
Mechanizmy
polaryzacji dielektryka
Orientacyjna polaryzacja dipolowa występuje w dielektrykach, których cząstki tworzą trwałe dipole. Dielektryki takie nazywamy polarnymi. Pole
elektryczne wymusza określoną orientację tych dipoli.
Mechanizmy
polaryzacji dielektryka
Polaryzacja ładunkiem przestrzennym występuje w materiałach, w których swoboda ładunku elektronowego lub jonowego jest ograniczona do
pewnych obszarów makroskopowych (na przykład w materiałach zawierających ziarna fazy przewodzącej zawieszonej w izolatorze).
Piezoelektryki
W 1880 Piotr i Jakub Curie stwierdzili, że na powierzchni niektórych kryształów poddanych działaniu zewnętrznych naprężeń mechanicznych indukują się ładunki elektryczne.
Zjawisko, występujące w niektórych kryształach, nazwano zjawiskiem piezoelektrycznym.
Piotr Curie
Piezoelektryki
W rok później Lippman wykazał teoretycznie możliwość
istnienia zjawiska odwrotnego, a bracia Curie potwierdzili doświadczalnie fakt deformowania się kryształów piezoelektrycznych
w zewnętrznym polu elektrycznym.
Struktura piezoelektryków
Znane są wyniki badań około tysiąca kryształów o własnościach piezoelektrycznych.
Tylko kilka z nich znajduje szerokie zastosowanie praktyczne.
Struktura piezoelektryków
Charakterystyczną cechą kryształów piezoelektrycznych jest brak środka symetrii ich struktury krystalicznej.
Materiał pokazany na rysunku obok ma strukturę o trzykrotnej osi symetrii.
Pod wpływem zewnętrznego naprężenia w krysztale pojawia się polaryzacja.
Suma momentów dipolowych przy każdym wierzchołku
nie jest już równa zeru.
Piroelektryki
Część kryształów piezoelektrycznych, posiadająca biegunowe osie symetrii, wykazuje właściwości piroelektryczne.
Zjawisko piroelektryczne zostało odkryte w 1756 roku przez Aepinusa.
Polega ono na wytwarzaniu na powierzchni kryształów ładunku elektrycznego pod wpływem zmian temperatury.
ciepło
Piroelektryki zastosowania
Czujniki ruchu zawierające podwójny element piroelektryczny.
(PerkinElmer).
Piroelektryki zastosowania
Bardzo perspektywicznym zastosowaniem piroelektryków wydaje się być termowizja.
Piroelektryczna matryca termowizyjna
Element matrycy pod mikroskopem STM
Ferroelektryki
Ferroelektrykami nazywamy ciała o budowie krystalicznej, które nawet w nieobecności zewnętrznego pola elektrycznego
wykazują polaryzację elektryczną,
przy czym zwrot tej polaryzacji można odwrócić za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego.
Ferroelektryki
Ferroelektryki stanowią podgrupę piroelektryków. Są dielektrykami nieliniowymi, co oznacza,
że polaryzacja dielektryczna P zależy w nieliniowy sposób od zewnętrznego pola elektrycznego E. Wyrazem tego jest pętla histerezy dielektrycznej,
charakterystyczna dla wszystkich ferroelektryków. Rysunki obok przedstawiają takie pętle w monokrysztale (góra) i ceramice
ferroelektrycznej (dół).
Ferroelektryki
Ferroelektryki charakteryzują się strukturą domenową.
Domeny są obszarami
o określonej polaryzacji dielektrycznej.
Ferroelektryki
Przenikalność dielektryczna i stratność ferroelektryka
są mocno zależna od temperatury.
Zmiany są najsilniejsze w otoczeniu temperatury zwanej temperaturą Curie.
Rysunek przedstawia te parametry w tytanianie baru. Linia przerywana odpowiada natężeniu pola elektrycznego 1000V/cm, a ciągła 50V/cm.
Ferroelektryki
Parametry ferroektryków nie są zbyt stabilne w czasie (starzenie).
Teoretyczny opis zjawiska ferroelektrycznego nastręcza wiele trudności i do tej pory nie ma ogólnej teorii, która tłumaczyła by wszystkie fakty doświadczalne
obserwowane w ferroelektrykach.
Podstawowym zastosowaniem materiałów
ferroelektrycznych jest budowa miniaturowych kondensatorów o dużych pojemnościach.
Powiemy o tym później, przy omawainu różnych rodzajówkondensatorów.
