Спонтанная поляризация

Спонтанная поляризация происходит в материалах, называемых сегнетоэлектриками. Первоначально такой механизм поляризации был обнаружен у сегнетовой соли, из-за чего весь класс материалов получил своё название. Такой материал состоит из участков, называемых доменами, причем в пределах каждого домена происходит самопроизвольная очень сильная поляризация вещества в одном направлении. Каждый домен имеется свое направление спонтанной поляризации.

Рис.8. Спонтанная поляризация: а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует.

При отсутствии внешнего электрического поля оси поляризации доменов направлены во все стороны. поэтому при векторном суммировании дипольных моментов множества доменов общий дипольный момент оказывается равным нулю (рис.8а.). При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов начинают поворачиваться вдоль поля, происходит их ориентация (рис.8б.). Вследствие этого дипольные моменты доменов складываются, увеличивая общий дипольный момент материала, т.е. появляется суммарная поляризация вещества.

Рис.9. Петля диэлектрического гистерезиса.

Поскольку домены сами по себе сильно поляризованы суммарный эффект оказывается очень большим. Величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков очень велика ε = 100¸100 000.

При наложении и снятии электрического поля поляризация материала изменяется по разному. На график зависимости поляризации от напряженности электрического поля (см. рис.9.) получается петля диэлектрического гистерезиса (очень похожая по форме на петлю гистерезиса намагничивания ферромагнетиков).

По характеру поляризация подразделяется на упругую и релаксационную (тепловую). Например при электронной поляризации, смещение электронных оболочек атомов или молекул происходит практически мгновенно (за время t »10^–15 с). . В результате при включении и выключении внешнего электрического поля поляризация устанавли­вается мгновенно и запаздывания между поляризацией и электрическим полем практически нет (см. рис.10а). В этом случае, при включении и выключении электрического поля, потерь электрической энергии в веществе не происходит. Такой тип поляризации называется упругой поляризацией.

Рис.10. Упругая (а) и релаксационная (б) типы поляризации:

а)   б)

Некоторые другие процессы в веществе протекают с заметной задержкой (время t »10^–3¸10^–5 с), например, процессы связанные с тепловой активацией. Так при дипольной поляризации, между разными положениями громоздких молекул существуют потенциальные барьеры и для того, чтобы их преодолеть требуется энергия. Если энергии внешнего электрического поля недостаточно, то таким дополнительным источником энергии становится тепловая, которой требуется некоторое время для поворота диполей. Тогда при включении внешнего электрического поля (или при выключении) поляризация запаздывает и устанавливается через некоторое время, которое называется временем релаксации (см. рис.10б) Эта задержка играет важную роль, поскольку в результате этой задержки в диэлектрике в переменном электрическом поле происходит потеря энергии на поляризацию. Такого типа поляризация называется релаксационнойили тепловой.