Активные диэлектрики: сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изме­нено внешними воздействиями, например электрическим полем.

Особенности сегнетоэлектриков:

1. Они обладают доменной структурой. Домен — это макроскопическая область в сегнетоэлектрике, имеющая пространствен­но-однородное упорядочение дипольных мо­ментов элементарных кристаллических яче­ек. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты в доменах ориен­тированы равновероятно по всем направле­ниям, что вызывает их взаимную компенса­цию. При воздействии внешнего электриче­ского поля дипольные моменты доменов ориентируются преимущественно в направ­лении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, а следовательно, вы­сокое и сверхвысокое значение диэлектриче­ской проницаемости.

2. Сильная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры [с максимумом при температуре, называемой сегнетоэлектрической точкой Кюри (рис. 14.1)] и от напряженности электрического поля.

3. Поляризация сегнетоэлектриков связана с достаточно большими затратами энергии. В переменном электрическом поле имеет место гистерезисная петля «переполяризации».

4. Сильная зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь от частоты, особенно в области сверхвысоких частот.

По характеру химической связи и виду поляризации сегнетоэлектрики подразделяют на ионные и дипольные.

Ионные сегнстоэлектрики представляют собой в ос­новном кристаллы со значительной степенью ионной связи. К ним относят многие соединения титанат бария ВаTiO3 (tк=120°С), титанат свинца РbTiO3 (tк=490°С), ниобат калия KNbO₃ (tк=435°С) и др.

Дипольные сегнетоэлектрики представляют собой соединения, в которых существуют постоянные электрические ди­поли или дипольные группы. К ним относят сегнетову соль NaKC₄H₄O₆·4H₂O (tк=24°С), триглицинсульфат (ТГС) (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO4 (tк=49°С), нитрит натрия NaNO₂ (tк=160°С) и др.

Рассмотрим свойства этих материа­лов на примере сегнетовой соли. В температурной зависимости ди­электрической проницаемости сегнетовой соли наблюдается два максимума — две точки Кюри: верхняя при t=+24°С и нижняя при t= –18°С (см. рис. 14.1). Соответственно ε достигает значений 4000 и 6000, tgδ вблизи точек Кюри достигает максимума и равен 0,33-0,35. За пределами точек Кюри значение tgδ=0,001. На свойства сегнетовой соли оказывает влияние влажность окружа­ющего воздуха. Так, при нормальной температуре и влажности воздуха более 85% сегнетова соль начинает поглощать пары воды и медленно растворяется. При влажности менее 35% происходит обратный процесс — дегидратация (обезвоживание), т. е. выделе­ние входящей в структуру кристаллизационной воды. Нагрево-стойкость сегнетовой соли также невелика: при температуре 55°С сегнетова соль распадается на тартрат натрия, тартрат калия и их насыщенные растворы с выделением воды. Эти недостатки, а так­же анизотропия, позволяющая вырезать образцы только в опреде­ленной плоскости, ограничивают возможности применения сегнетовой соли в технике.