Введение в физические свойства твёрдых тел Лекция 9. Активные диэлектрики. Термоэлектрические явления

2 Содержание Активные диэлектрики Пьезоэлектрики Пироэлектрики Сегнетоэлектрики Электреты Термоэлектрические явления Контактная разность потенциалов ТермоЭДС Эффект Пельтье

3 Пьезоэлектричество В некоторых кристаллах возникает электрическая поляризация при растяжении и сжатии. Это проявление прямого пьезоэлектрического эффекта Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы не имеющие центра симметрии ZnO со структурой вюрцита

4 Пьезоэлектричество + ++ – –– + ++ – –– –– – –– –– ++

5 Чтобы использовать поляризационные заряды, на противоположные грани пьезоэлектрической пластинки наносят металлические электроды, на которых индуцируются заряды, противоположные поляризационным. При этом во внешней цепи возникает электрический ток

6 Пьезоэлектричество Уравнение пьезоэлектрического эффекта связывает линейной зависимостью вектор поляризации Р и тензор напряжения σ jk : P i =d ijk σ jk d ijk – пьезоэлектрические модули, составляющие тензор третьего ранга Всего 27 компонент, 18 - независимых Возможны и другие представления пьезоэлектрического эффекта

7 Пьезоэлектричество Существует матричная запись пьезоэлектрического эффекта, подобно тому, как это делается для закона Гука: P i =d ik σ k В этих обозначениях тензор напряжения по определённым правилам заменяется на 6 мерный вектор, а пьезоэлектрический тензор на матрицы размерности 3 6

8 Пьезоэлектричество Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что при внесении пьезоэлектрического кристалла в электрическое поле в кристалле возникают механические напряжения, под действием которых кристалл деформируется Оказывается, что те же самые коэффициенты, которые связывают поляризацию и напряжение в прямом эффекте, связывают поле и деформацию в обратном эффекте: ε jk =d ijk Е i

9 Пьезоэлектричество Наиболее известные пьезоэлектрики: кварц, сегнетова соль, титанат бария и др. Пьезоэлектрики используются в технике для изготовления пьезоэлектрических стабилизаторов и фильтров, датчиков вибрации и давления, звукоснимателей, микрофонов, телефонов, излучателей ультразвука и т.д.

10 Пироэлектричество У некоторых пьезоэлектрических кристаллов решётка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решётки отрицательных ионов таким образом, что кристаллы оказываются электрически поляризованными даже в отсутствие электрического поля. Такая поляризация называется спонтанной, а кристаллы - пироэлектрическими

11 Пироэлектричество В обычных условиях поляризационные заряды скомпенсированы свободными поверхностными зарядами, осевшими из атмосферы или диффундировавшими из объёма. Однако при нагревании баланс нарушается и на поверхностях появляются поляризационные заряды. Возникновение таких зарядов называется прямым пироэлектрическим эффектом

12 Пироэлектричество Пироэлектрический эффект можно описать формулой: P i = i T, где P – изменение величины поляризации диэлектрика; i – пироэлектрические коэффициенты; T – изменение температуры диэлектрика Типичные значения 10 –5 –10 –4 Кл/(м 2 ·К)

13 Пироэлектричество К наиболее известным природным пироэлектрикам относится турмалин Появления пироэлектрических свойств можно добиться у сегнетоэлектриков: триглицинсульфата; ниобата и танталата лития; титаната свинца и др.

14 Пироэлектричество При нагревании происходит деформация, которая может сопровождаться пьезоэлектрическим эффектом, который обычно превышает первичный пироэлектрический эффект. Такая электризация называется вторичным пироэлектрическим эффектом

15 Пироэлектричество Поляризационные заряды могут возникать при неоднородном нагреве. Это третичный (или ложный) пироэлектрический эффект Обратный пироэлектрический эффект состоит в том, что изменение электрического поля в отсутствие теплообмена (адиабатический процесс) сопровождается изменением температуры кристалла

16 Применение пироэлектриков Пироэлектрические материалы находят применение в качестве детекторов и приёмников излучения, датчиков теплометрических приборов Важной областью применения пироэлектриков является визуализация ИК-изображений

17 Сегнетоэлектричество Некоторые диэлектрические кристаллы в определённой области температур, называемой полярной областью, являются пироэлектриками, т.е. спонтанно поляризованы в отсутствие поля. На границах этой области они испытывают фазовые превращения, переходя в состояния без спонтанной поляризации. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками Все кристаллы в сегнетоэлектрическом состоянии являются пьезоэлектриками но не наоборот (например кварц)

18 Сегнетоэлектричество В отличие от обычных пироэлектриков, в сегнетоэлектриках состояние спонтанной поляризации может быть изменено на противоположное в относительно слабых электрических полях Температура Т к, при которой сегнетоэлектрик переходит из спонтанно поляризованного состояния в неполяризованное называется диэлектрической точкой Кюри

19 Сегнетоэлектричество Как правило, сегнетоэлектрик имеет одну точку Кюри, ниже которой он находится в поляризованном (полярная фаза), а выше – в неполяризованном состоянии (неполярная фаза) Некоторые сегнетоэлектрики, например сегнетова соль, имеют две точки Кюри: нижнюю и верхнюю. Спонтанная поляризация наблюдается в области между нижней и верхней точками Кюри

20 Сегнетоэлектричество Наиболее известные сегнетоэлектрики: сегнетова соль NaKC 4 H 4 O 6 ·4H 2 O и титанат бария BaTiO 3 Поляризация сегнетоэлектрика складывается из спонтанной поляризации, не зависящей от внешнего поля, и индуцированной поляризации Связь между Р и Е у сегнетоэлектриков нелинейна

21 Сегнетоэлектричество Особенностью сегнетоэлектриков является то, что значения их диэлектрической проницаемости в полярной фазе аномально велики Для сегнетовой соли в максимуме Для титаната бария макс В неполярной фазе сегнетоэлектрик ведёт себя как обычный линейный диэлектрик

22 Сегнетоэлектричество Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика зависят от температуры Вблизи точки Кюри выполняется закон Кюри- Вейсса: где С и Т 0 – постоянные. Т 0 – температура Кюри- Вейсса. Т 0 мало отличается от Т К

23 Сегнетоэлектричество Сегнетоэлектрик состоит из спонтанно поляризованных в различных направлениях областей – доменов В отсутствие внешнего поля поляризация одних доменов компенсируется противоположно направленной поляризацией других доменов

24 Сегнетоэлектричество При приложении электрического поля происходит частичная переориентация доменов, а так же рост одних доменов за счёт других, это ведёт к появлению поляризации Р Е

25 Сегнетоэлектричество Зависимость Р от Е неоднозначна. Она зависит от истории образца. Это явление называется диэлектрическим гистерезисом и обусловлено доменной структурой диэлектрика Р Е 0

26 Сегнетоэлектричество Остаточной поляризованностью сегнетоэлектрика называется поляризованность, сохраняющаяся после снятия внешнего электрического поля Коэрцитивной силой называется величина напряжённости электрического поля, в котором поляризованность сегнетоэлектрика становится равной нулю

27 Электретный эффект Электретом называется диэлектрик в котором длительное время сохраняется поляризованное состояние Органические электреты. Пчелиный и карнаубский воск, церезин, полимеры Неорганические. Стёкла, сера, титанаты, галогениды Применяются в качестве мембран микрофонов, телефонов, датчиков различных устройств

28 Электретный эффект Существуют различные способы получения электретов: Нагревание и охлаждение в электрическом поле – термоэлектреты Выдержка в сильном электрическом поле – электроэлектреты Воздействие коронным разрядом – короноэлектреты Освещение в электрическом поле – фотоэлектреты Облучение электронами и ионами - радиоэлектреты

29 Контактная разность потенциалов При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов Причиной её появления является отличие работы выхода электрона из одного метала от работы выхода из другого металла

30 Контактная разность потенциалов Работой выхода называется энергия, которую необходимо затратить на удаление электрона из проводника Работу выхода принято измерять в электрон-вольтах, эВ 1 эВ=1,6· Дж

31 Контактная разность потенциалов Электроны переходят из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода. При этом происходит уменьшение полной энергии системы, первый металл заряжается отрицательно, а второй положительно – + Е Е0Е0 А1А1 А2А2

32 ТермоЭДС Если температуры контактов двух проводников, различны, то в системе возникает термоэлектрический ток (явление Зеебека) Т1Т1 Т2Т2 t

33 ТермоЭДС Система, состоящая из двух контактов разнородных проводников, предназначенная для измерения температур, называется термопарой. Такая же система, предназначенная для преобразования тепловой энергии в электрическую, называется термоэлементом

34 ТермоЭДС Полная термоЭДС термопары или термоэлемента складывается из ЭДС обоих спаев, которые, в свою очередь, определяются родом контактирующих металлов и температурой В простейшем случае термоЭДС является линейной функцией разности температур спаев: E= (t 1 -t 2 ), где - коэффициент термоЭДС

35 ТермоЭДС Для металлов ~1 100 мкВ/град. Для полупроводников эта величина может превышать 1000 мкВ/град Эффект Пельтье заключается в выделении или поглощении тепла при прохождении электрического тока через контакт двух проводников

36 Заключение Активные диэлектрики обладают рядом отличительных свойств Прямой и обратный пьезоэффекты связывают механические и электрические свойства диэлектрика Пироэлектрический эффект заключается в изменении поляризации диэлектрика при изменении температуры

37 Заключение Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией в некотором диапазоне температур Свойства сегнетоэлектриков обусловлены особенностями их кристаллического строения и наличием доменной структуры Электретный эффект заключается в длительном сохранении состояния поляризации диэлектрика

38 Заключение К термоэлектрическим явлениям относят возникновение контактной разности потенциалов, термоЭДС и эффект Пельтье Все рассмотренные явления имеют практическое применение

39 Контрольные задания В чём заключаются прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты? Как наблюдается пьезоэлектрический эффект? Может ли он наблюдаться в нецентросимметричных кристаллах? Какое соотношение описывает пьезоэлектрический эффект? Что такое пьезоэлектрические модули? Сколько их? Для чего используются пьезоэлектрики?

40 Контрольные задания Что представляет собой матричная запись соотношения описывающего пьезоэлектрический эффект? Какие кристаллы называются пироэлектрическими? В чём заключается пироэлектрический эффект? В чем заключаются первичный, вторичный, третичный и обратный пироэффекты? Какими свойствами обладают сегнетоэлектрики?

41 Контрольные задания Что такое диэлектрический гистерезис? В чём заключается электретный эффект? Как он используется? Как получают электреты? В чём причина возникновения контактной разности потенциалов? Как возникает термоЭДС? В чём отличие эффектов Зеебека и Пельтье? Как используются пироэлектрический эффект и термоЭДС?

42