какие диэлектрики считаются активными

Активные диэлектрики

Диэлектрики, свойствами кото­рых можно управлять с помощью внешних энергетических воздей­ствий и использовать эти воздей­ствия для создания функциональ­ных элементов электроники, отно­сятся к группе активных диэлек­триков: сегнето-, пьезо- и пиро-электрики; электро-, магнито- и акустооптические материалы; ди­электрические кристаллы с нели­нейными оптическими свойствами..

На рис. 43 приведена зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры при различной напряженности электрического поля.

Сегнетоэлектрики по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две группы: ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария ВаТiO₃, титанат свинца РbТiO₃, ниобат калия KnbO₃ ба­рий-натриевый ниобат BaNaNb₅O₁₅, и др.; дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль NaKC₄H₄O₆-4H₂O, триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃ – H₂SO₄, дигидрофосфат калия КН₂РО₄ и др.

Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по ке­рамической технологии. Дипольные соединения, наоборот, обла­дают малой механической прочностью и растворимостью в воде, благодаря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих со­единений из водных растворов.

Сегнетоэлектрики применяются: для изготовления малогабарит­ных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; при изготовлении материалов с большой нелинейностью поляри­зации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других уп­равляемых устройств; в вычислительной технике для ячеек памя­ти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Для изготовления нелинейных конденсаторов применяются дру­гие сегнетоэлектрические материалы, обладающие резко выражен­ными нелинейными свойствами – сильной зависимостью диэлект­рической проницаемости от напряженности электрического поля. Такие материалы называются варикондами. Вариконды предназна­чены для управления параметрами электрических цепей изменени­ем их емкости. Сегнетоэлектрики, петля гистерезиса которых по форме близка к прямоугольной, например такие, как триглицинсуль­фат (ТГС), можно применять в запоминающих устройствах ЭВМ.

Кристаллы некоторых сегнетоэлектриков и антисегнетоэлект-риков имеют сильно выраженный электрооптический эффект (антисегнетоэлектрики, как и cегнетоэлектрики, также имеют домен­ное строение, однако спонтанная поляризованность каждого до­мена у них равна нулю, так как дипольные моменты внутри каждого домена сориентированы антипараллельно). Электрооптический эф­фект заключается в изменении показателя преломления среды, ко­торый вызван внешним постоянным электрическим полем. Он на­зывается линейным (эффект Поккельса), если показатель преломле­ния изменяется пропорционально первой степени напряженности, и квадратичным, если наблюдается квадратичная зависимость от напряженности поля (эффект Керра). Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции ла­зерного излучения, осуществляемого электрическим полем, прило­женным к кристаллу. Для электрооптических модуляторов света используют кристаллы ниобата лития LiNbO₃, дигидрофосфата ка­лия КН₂РО₄, прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ, пред­ставляющую собой твердые растворы цирконата-титаната свинца с оксидом лантана.

При легировании сегнетоэлектрической керамики ВаТiO₃ и твер­дых растворов Ba(Ti, Sn)O₃, и (Ва, Рв)ТiO₃ неодимом и марганцем получают материалы, которые по своим свойствам относятся к сегнетополупроводникам. В таких материалах, благодаря легирова­нию, возникают донорные и акцепторные уровни, и проводимость повышается в миллиарды раз до значений, соответствующих ти­пичным полупроводникам. Однако высокая проводимость есть лишь в полярной фазе при температурах ниже точки Кюри. Вбли­зи точки Кюри проводимость резко уменьшается (в 10 2 … 10 6 раз) и лишь при нагревании выше точки Кюри снова начинает расти с увеличением температуры. Такой эффект называется позисторным. Керамические элементы – позисторы имеют низкое «холодное» и высокое «горячее» сопротивление. Они широко применяются в системах теплового контроля, измерительной технике, в пусковых системах двигателей, для авторегулировки и в других устройствах.

Кроме кварца в различных пьезопреобразователях используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, получаемая в основном из твер­дых растворов цирконата-титаната свинца PbZrO₃-PbTiO₃ (ЦТС).

Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами – воз­можность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления ма­логабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиков дав­лений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных филь­тров, линий задержки, пьезотрансформаторов и др.

К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, т.е. диэлек­трики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектри­ческий эффект состоит в изменении спонтанной поляризованнос-ти диэлектриков при изменении температуры. К типичным линей­ным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть измене­но внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружаю­щей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляри­зованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкну­той цепи возникает электрический ток. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария-стронция, триглицинсульфат (ТГС), ниобат и танталат лития. Пи­роэлектрический эффект проявляется также в поляризованной, т.е. подвергнутой действию постоянного электрического поля, сегнетокерамике, а также у некоторых полимеров, например у поляри­зованных поливинилденфторида и поливинилиденхлорида.

К электретам относятся диэлектрики, способные длительное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окружа­ющем их пространстве электрическое поле. Остаточная поляриза­ция в электретах в отличие от пироэлектриков и поляризованных сегнетоэлектриков компенсирована не полностью, что приводит у них к отличной от нуля внешней напряженности поля, которая может быть очень высокой. Существуют различные способы полу­чения электретов. Так, термоэлектреты получают в процессе ох­лаждения в сильном электрическом поле расплава полярных диэ­лектриков; фотоэлектреты изготовляют из материалов, обладаю­щих фотоэлектропроводностью (серы, сульфата кадмия) при одновременном воздействии света и электрического поля; короноэлектреты получают при пониженном давлении газа в коронном разряде и др. Если заряд в электрете создается в результате дей­ствия различных релаксационных механизмов поляризации, то та­кие заряды называют гетерозарядами. Эти заряды имеют знак, про­тивоположный знаку заряда электродов. Если заряды переходят на поверхность твердого диэлектрика из поляризующего электро­да или воздушного зазора и имеют тот же знак, что и электроды, то такие заряды называют гомозарядами. Гомозаряды преобладают у неорганических (керамических) ма­териалов и органических неполярных диэлектриков, гетерозаряды – у органических полярных диэлектриков. Время жизни элект­ретов может достигать в нормальных условиях нескольких лет, но быстро уменьшается с повышением температуры и влажности за счет освобождения и нейтрализации носителей заряда, захвачен­ных ловушками. Элект­реты применяются для изготовления микрофонов, телефонов, до­зиметров радиации, влажности, электрометров в электрофото­графии и во многих других случаях.

Твердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров) являются активной средой, представляющей собой крис­таллическую или стеклообразную матрицу, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона, при этом матрица играет пассивную роль. Спектр излучения лазера в основном зависит от типа активного иона. Свойства некоторых лазерных материалов приведены в табл.1.

1. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. и др. Материаловедение: Учебник для вузов.- М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

2. Конструкционные и электротехнические материалы / В.Н.Бородулин, А.С.Воробьев, С.Я.Попов и др.; Под ред. В.А.Филикова. – М.: Высшая школа, 1990. – 296 с.

3. Новые материалы. Под научной редакцией Ю.С.Карабасова. – М.:МИСИС. – 2002 – 736 с.

1. Строение и свойства материалов

2. Строение и свойства металлических сплавов

3. Диаграммы состояния (фазового равновеси\) сплавов

4. Материалы с особыми магнитными свойствами

5. Материалы с особыми электрическими свойствами

Источник

Активные диэлектрики

В то время как к пассивным диэлектрикам предъявляются тре­бования сохранения стабильности свойств при различных внешних воздействиях, к диэлектрикам, выполняющим активные функции управления энергией или преобразования поступающей информа­ции, предъявляются требования совершенно противоположные. Чем сильнее изменяются свойства материала при внешних возмуще­ниях, тем лучше такой элемент выполняет свои функции.

Диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздейст­вия для создания функциональных элементов электроники, отно­сятся к группе активных диэлектриков: сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электро-, магнито- и акустооптические материалы; диэлект­рические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Рассмотрим активные диэлектрики, нашедшие наиболее широ­кое применение.

Сегнетоэлектрики – вещества, обладающие спонтанной поляризацией,направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Температура Т_к (сегнетоэлектрическая точка Кюри) является температурой фазового перехода, ниже этой температуры сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами; выше этой температуры происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля (рис. 8.7), которая носит название диэлектрической петли гистерезиса и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости, в которой максимум диэлектрической проницаемости достигается при температуре, соответствующей точке Кюри. На рис. 8.8 приведена зависимость ди­электрической проницаемости титанита бария от температуры при различной напряженности электрического поля.

Все соединения первой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, легко получаются по кера­мической технологии. Дипольные соединения, наоборот, обладают малой механической прочностью и растворимостью в воде, благода­ря чему можно вырастить крупные монокристаллы этих соедине­ний из водных растворов.

Рис. 8.7. Основная кривая поляризации Рис. 8.8. Диэлектрическая проница-

Сегнетоэлектрика и петля диэлектрического емость титаната бария в зависимости от

гистерезиса. температуры при различной напряжен-

ности электрического поля.

Для изготовления нелинейных конденсаторов применяются дру­гие сегнетоэлектрические материалы, обладающие резко выражен­ными нелинейными свойствами сильной зависимостью диэлект­рической проницаемости от напряженности электрического поля. Такие материалы называются варикондами.Вариконды предназна­чены для управления параметрами электрических цепей за счет из­менения их емкости. Сегнетоэлектрики, петля гистерезиса которых по форме близка к прямоугольной, например, такие, как тригли­цинсульфат (ТГС), можно применять в запоминающих устройствах ЭВМ.

Кристаллы некоторых сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков имеют сильно выраженный электрооптический эффект (антисегнетоэлектрики, как и сегнетоэлектрики, также имеют доменное строение, однако спонтанная поляризованность каждого домена у них равна нулю, так как дипольные моменты внутри каждого доме­на сориентированы антипараллельно). Электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления среды, который вызван внешним постоянным электрическим полем. Он называется линейным (эффект Поккельса), если показатель преломления изме­няется пропорционально первой степени напряженности, и квадра­тичным, если наблюдается квадратичная зависимость от напряжен­ности поля (эффект Керра). Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу. Для электрооптических модуляторов света исполь­зуют кристаллы ниобата лития LiNbО₃, дигидрофосфата калия КН₂Р0₄, прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ, представ­ляющую собой твердые растворы цирконата-титаната свинца с ок­сидом лантана.

К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, т. е. диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пи­роэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спон­танная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свобод­ными зарядами противоположного знака за счет процессов электро­проводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей ат­мосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток.

Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария и стронция, триглицинсульфат – ТГС, ниобат и танталат лития. Пироэлектрический эффект проявляется также в поляризованной, т. е. подвергнутой действию постоянного электрического поля, сегнетокерамике, а также у некоторых полимеров, например у поляри­зованных поливинилденфторида и поливинилиденхлорида.

К электретам относятся диэлектрики, способные длитель­ное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окру­жающем их пространстве электрическое поле. Остаточная поляри­зация в электретах в отличие от пироэлектриков и поляризованных сегнетоэлектриков компенсирована не полностью, что приводит у них к отличной от нуля внешней напряженности поля, которая мо­жет быть очень высокой. Существуют различные способы получе­ния электретов. Так, термоэлектреты получают путем охлаждения в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков; фотоэлектреты изготовляют из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью – серы, сульфита кадмия – при одновременном воздействии света и электрического поля; короноэлектреты получа­ют при пониженном давлении газа в коронном разряде и др. Если за­ряд в электрете создается за счет различных релаксационных меха­низмов поляризации, то такие заряды называют гетерозарядами. Эти заряды имеют знак, противоположный знаку заряда электродов. Если заряды переходят на поверхность твердого диэлектрика из по­ляризующего электрода или воздушного зазора и имеют тот же знак, что и электроды, то такие заряды называют гомозарядами.

Гомозаряды преобладают у неорганических (керамических) мате­риалов и органических неполярных диэлектриков, гетерозаряды – у органических полярных диэлектриков. Время жизни электретов может достигать в нормальных условиях нескольких лет, но быстро уменьшается с повышением температуры и влажности за счет осво­бождения и нейтрализации носителей заряда, захваченных ловуш­ками.

Наибольшее практическое применение находят электреты из пле­нок полиэтилентерефталата (лавсана), фтопласта-4, поликарбоната и др. Электреты применяются для изготовления микрофонов, теле-

фонов, дозиметров радиации, влажности, электрометров в электро­фотографии и во многих других случаях.

Твердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров) являются активной средой, представляющей собой кристал­лическую или стеклообразную матрицу, в которой равномерно рас­пределены активные ионы (активаторы). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровня­ми активного иона, при этом матрица играет пассивную роль. Спектр излучения лазера в основном зависит от типа активного иона, как вещество кристаллической или стеклообразной основы, так и акти­ваторы должны удовлетворять целому ряду специфических требо­вании. Свойства некоторых лазерных материалов приведены в табл. 8.6.

Источник

Активные диэлектрики. Состав, свойства, применение

Диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники, относятся к группе активных диэлектриков: сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Пример: Т-900, СМ-1, Т-8000, ВАРИКОНД (сильная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности), триглицинсульфат (ТГС) (петля гестерезиса близка к прямоугольной, применяется в запоминающих устройствах).

Пример: монокристалический кварц, кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития, пьезоэлектрическая керамика. Пьезокерамика применяется: малогабаритные микрофоны, телефоны, детонаторы, датчики давлений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов.

Пример: турмалин, сульфат лития.

При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Используется при создании тепловых датчиков и приемников лучистой энергии (инфракрасное и СВЧ-излучение).

Наибольшее применение находят электреты из пленок полиэтилентерефталата (лавсана), фторопласта-4, поликарбоната и др.

Твердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров): рубин, гранат, флюорит, фторит марганца, стекло.

1. Какие преимущества обеспечивают применение электроизоляционной керамики и стекол?

2. Каковы экономические предпосылки применения керамики?

3. Каковы операции технологического цикла при изготовлении керамических изделий? В чем преимущества керамического производства?

4. Приведите примеры установочных высокочастотных керамических диэлектриков. Назовите наиболее характерные области их применения.

5. На каких принципах основано создание термостабильной конденсаторной керамики?

6. Что такое сегнетоэлектрики и каковы их особенности?

7. Какие диэлектрики называют активными? В чем различие требований к активным и пассивным диэлектрикам?

8. Назовите наиболее важные применения сегнетоэлектриков. На каких свойствах материалов основаны эти применения?

9. Какая электрическая упорядоченность свойственна сегнетоэлектрикам?

10. Что такое прямой и обратный пьезоэффект? В каких диэлектриках можно наблюдать эти явления?

11. Какова природа электретного состояния в диэлектриках?

Источник

Активные диэлектрики

Активными называются диэлектрики, свойствами которых можно управлять внешними энергетическими воздействиями и применять эти свойства для создания устройств функциональной электроники.

Активные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, а так же запоминание и преобразование информации различного рода.

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо-, пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники (лазерные материалы), жидкие кристаллы, электро-, акусто-, магнитооптические материалы.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только кристаллические, но также жидкое и газообразные вещества (например, СО₂).

Строго деления между различными классами материалов здесь так же нет. Нельзя однозначно сказать, что данный диэлектрик является активным или пассивным, то есть, классификация условна. Одни и те же материалы в различный условиях могут относиться к различным группам.

Например, кристаллическая β-модификация SiO₂ – кварц, активный диэлектрик.

Это вещества, обладающие способностью к спонтанной поляризации, направление которой может изменяться под действием внешнего поля. Они имеют так называемую доменную структуру.

Домены – это макроскопические области, молекулы в которых спонтанно (от природы) ориентированы, и поэтому суммарный электрический момент каждого домена отличен от нуля (это области, которые поляризованы до насыщения). У всего объёма вещества в природе суммарный электрический момент может быть равен нулю, так как сегнетоэлектрик, не подвергавшийся воздействию электрического поля, состоит из множества доменов, направление поляризации которых различны.

Внешнее электрическое поле изменяет направление поляризации доменов, при этом происходит как бы разрастание доменов, изначально сориентированных по направлению воздействия поля, за счёт поглощения соседних. При приложении достаточно сильного электрического поля монокристалл сегнетоэлектрика переходит в однодоменное состояние. У поликристаллического тела смещению доменных границ препятствуют границы зёрен, но и поликристалл тоже переводится в квазиоднодоменное состояние.

Наличие спонтанной поляризации приводит к очень большим величинам диэлектрической проницаемости – до нескольких тысяч единиц. Как следствие – из них можно изготавливать малогабаритные конденсаторы очень большой ёмкости. Однако, под действием переменного электрического поля переполяризация в них происходит не сразу, в результате чего сегнетоэлектрики обладают петлёй гистерезиса.

где D – электрическая индукция,

Dr – величина остаточной индукции при внешнем электрическом поле, равном 0,

Е_с – коэрцитивная сила – напряжённость внешнего электрического поля, необходимая для компенсации внутреннего поля сегнетоэлектрика.

Это говорит о том, что потери энергии в результате переполяризация очень высоки. Следовательно, уместно использование только для диапазона низких частот.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением границ под действием поля. Внутренняя ориентация сильнополярных молекул диэлектрика в доменах обусловлена взаимодействием электрически заряженных частей молекул. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры – сегнетоэлектрическая точка Кюри.

Известно несколько сотен веществ, обладающих такими свойствами. Причём точка Кюри у них от нескольких Кельвин (Pb₂Nb₂O₇ – 15К) до 1500К у LiNbO₃.

Название эта группа веществ получала от первого вещества, у которого были обнаружены подобные свойства – сегнетовой соли.

Сегнетоэлектрические свойства обнаруживаются у дипольных и оинных сильнополярных веществ.

1. Изготовление малогабаритных НЧ конденсаторов с большой ёмкостью;

2. Использование большой нелинейности поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других устройств;

3. Изготовление перезаписываемых устройств памяти;

4. Изготовление демодуляторов лазерного изслучения.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации даэлектрика под действием механических напряжений.

При воздействии силой F на гранях образуется электрический заряд Q:

где d – пьезомодуль (характеристика вещества).

Пьезоэффект – явление обратимое. Если мы поместим данный материал в электрическое поле, то он изменит свои геометрические размеры – явление обратного пьезоэффекта. Причём направление изменения будет зависеть от полярности приложенного напряжения.

Пьезоэффект бывает либо параллельным (заряд возникает на тех же гранях, на которые приходится воздействие силы F), либо перпендикулярным (заряд возникает на гранях, перпендикулярных воздействию силы F).

Пьезоэлектрические свойства проявляют сильно полярные диэлектрики с отсутствующим центром симметрии в структуре молекулы. Известно более 1000 веществ, обладающих данными свойствами, в том числе все сегнетоэлектрики.

Важнейшими для РЭС является одна из кристаллических модификаций кварца: β-модификация SiO₂. Он устойчив до температуры 573°С. При более высоких температурах, β-модификация переходит в α-модификацию кристаллической решётки. Крупные природные кристаллы пьезокварца носят название горный хрусталь, но они довольно редки. В технике в основном применяется искусственно выращенный гидротермальным методом кварц.

Преимуществами кварцевых резонаторов, представляющих собой пластинки кварца с нанесёнными металлическими обкладками, являются: очень малый tgδ, высокая механическая добротность (малые механические потери). В лучших резонаторах добротность составляет 10 6 …10 7 единиц. Если в таких резонаторах возбудить колебания, то они долго не затухают.

Благодаря высокой механической добротности, кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с большой избирательной способностью и для эталонирования частоты генераторов.

Помимо кварца, который достаточно дорог, используют так называемую пьезокерамическую керамику, представляющую собой сегнетокерамику, поляризованную в сильных электрических полях. Её называют ЦТС-керамикой. Материал для изготовления цирконат титанат свинца PbZrO₃-PbTiO₃. По свойствам он уступает кварцу.

Из пьезокерамики делают мощные ультразвуковые излучатели, которые широко используются в гидроакустике, дефектоскопии и механической обработке материалов (ультразвуковая сварка). Кроме того, из пьезокерамики изготавливают малогабаритные микрофоны, телефоны, ВЧ динамики, детонаторы для взрывателей, датчики давления и вибрации, ЛЗ на ПАВ, пьезотрансформаторы, акустооптические модуляторы.

Это тела диэлектриков, длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем пространстве постоянное электрическое поле (аналог постоянного магнита).

Существует большое количество различных электретов, которые подразделяются по способам формирования электретных свойств (впервые обнаружены у парафина).

Термоэлектреты получают комбинацией термического и электрического воздействий

Фотоэлектреты – воздействие света и электрического поля

Электроэлектреты – воздействием только электрического поля

Короноэлектреты – воздействием коронного разряда.

Все электреты постепенно теряют свои свойства, длительность сохранения этих свойств – от нескольких часов до нескольких лет.

В объёме диэлектрика складывается комбинация из двух разновидностей зарядов:

1.гомозаряды. Они стекают с обкладок и замуровываются в поверхностном слое диэлектрика.

2.гетерозаряды. Формируются гомозарядами.

У органических электретов преобладают гетерозаряды, у керамических – гомозаряды.

В настоящее время большое применение находят электреты на основе полимерных плёнок (на основе полиэтилентерефталата (лавсан), политетрафторэтилена (фторопласт)).

Помещённые между обкладками плёнки электрета индуцируют на них заряд, величина которого зависит от величины зазора.

Применение: малогабаритные микрофоны, телефоны (=наушники), измерители механической вибрации.

Это вещества, которые могут находиться в промежуточном (межфазном) состоянии между изотропной жидкостью и твёрдым кристаллическим талом. С одной стороны они текучи, способны собираться в каплю, то есть ведут себя как жидкость, с другой – им присуща анизотропия свойств и внутренняя упорядоченность, как у кристаллов.

Малая величина межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру, определяют сильную зависимость свойств от внешних факторов: температуры, давления, внешнего поля.

Специфика жидких кристаллов заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы, причём от нескольких градусов, до довольно приличного диапазона температур. При комнатной температуре состояние мезофазы характерно для органических веществ так называемого ароматического ряда с удлинённой палочкообразной формой молекулы (МББА).

Для жидких кристаллов характерно наличие трёх основных состояний:

1.Смектическая фаза – это состояние, наиболее близкое к кристаллической структуре вещества. Характеризуется параллельным расположением палочкообразных молекул с равноудалением центров масс. Срез такой вещества показан на рисунке 47а

2.Нематическое состояние. Длинные оси молекул ориентированы вдоль общего направления, которое называется нематическим директором, то есть молекулы по-прежнему параллельны, но нет равноудаления центров масс (см. рисунок 47 б)

Большинство не цветных жидкокристаллических индикаторов используют переход из смектического в нематическое состояние. При этом происходит изменение оптических свойств жидких кристаллов, наблюдается своего рода помутнение, изменяется своего рода коэффициент пропускания. Сами жидкие кристаллы не светятся, видны только в отражённом или проходящем свете. Структура индикатора представлена на рисунке 48.

При подаче на электрод сигнала и прохождении света, жидкие кристаллы над электродом мутнеют.

3.Холестерическое состояние (доступно не для всех жидких кристаллов).

На рисунке 47 в изображены несколько срезов вещества. В каждом слое молекулы расположены параллельно, но под разными углами в различных сечениях. При этом если посмотреть на одну локальную точку всей толщи жидких кристаллов, то эти молекулы образуют спираль, называемую холестерической. Угол поворота молекул зависит от различных воздействий, оказываемых на этот жидкий кристалл: температура, электрическое и магнитное поля, давление. Холестерическая спираль преломляет падающий свет, и в зависимости от угла закрутки спирали мы видим тот или иной цвет. Процесс управления называется твист-эффектом.

Магнитные материалы

Любое вещество, помещённое в магнитное поле приобретает магнитный момент М. Магнитные момент единицы объёма называют намагниченностью j_m, [А/м]:

.

При неравномерном намагничивании оценивают величину Jm:

.

Связь намагниченности с напряжённостью магнитного поля:

,

где — магнитная восприимчивость, Н – напряжённость магнитного поля.

Магнитная восприимчивость – способность вещества намагничиваться. Намагниченное тело, находящееся во внешнем поле, создаёт собственное магнитное поле, направленное в изотропных средах параллельно или антипараллельно внешнему полю. Вследствие этого величина магнитной индукции вещества будет равна алгебраической сумме внешнего и внутреннего полей:

где — относительная магнитная проницаемость – показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе больше чем в вакууме.

Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества делятся на 5 групп:

К ним относятся вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов в атоме при попадании этого атома в магнитное поле. Изменение скорости – проявление закона электромагнитной индукции на атомарном уровне. При этом орбита электрона рассматривается как некий замкнутый контур, по которому течёт ток, и этот контур не имеет активного сопротивления.

Очевидно, что диамагнетизм универсален, присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими более сильными магнитными проявлениями.

[Можно провести параллель в диэлектриками: электронная поляризация маскируется более сильными видами поляризации]

К ним относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от внешнего магнитного поля.

В парамагнетике атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Но из-за теплового движения суммарный заряд без внешнего магнитного поля равен нулю. Внешнее поле, накладываемое на парамагнетик создаёт преимущественную ориентацию, которая тем не менее не является строгой.

Физическое проявление парамагнетизма – втягивание парамагнетика в неоднородное магнитное поле.

К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы (Al), соли железа, кобальта, никеля.

[аналог дипольно-релаксационной поляризации]

К ним относят вещества с большим положительным значением магнитной восприимчивости (до 10 6 ), которая сильно зависит от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля.

Им присуща внутренняя магнитная упорядоченность, которая характеризуется наличием макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов (доменов).

Важнейшей особенностью является способность намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. Намагниченность до насыщения ведёт к переходу в однодоменное состояние.

[аналог спонтанной поляризации]

К ним относят вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки.

При комнатной температуре к ним относятся хром, марганец, редкоземельные элементы (цезий, неодим, самарий, таллий и др.). Типичные антиферромагнетики – простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы: оксиды, галогениды, сульфиды, карбонаты и тому подобные. Всего около 1000 химических соединений.

К ним относятся вещества, с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от температуры и напряжённости внешнего магнитного поля. Имеются некоторые различия: ферримагнетикам не присуще доменное строение вещества.

Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные сплавы металлов, но главным образом – оксидные соединения, среди которых наибольший интерес представляют ферриты (именно от них и получила название группа).

Очевидно, что сильными магнитными свойствами обладают две крупы: ферромагнетики и ферримагнетики. Именно они представляют интерес для дальнейшего изучения.

Природа ферромагнитного состояния

Для образования сильных магнитных свойств у вещества необходимо выполнение двух условий:

1.Наличие элементарного магнитного момента атомов вещества4

2.Должна быть параллельная ориентация этих магнитных моментов.

Отличным от нулю магнитным моментом обладают те атомы и ионы, которые в своих электронных оболочках имеют нескомпенсированные спины. Как известно, на одной орбитали атома не может находиться не более двух электронов с противоположными спиновыми моментами. Если на орбитали останется один электрон, то его движение вокруг ядра атома создает пусть очень маленькое, но магнитное поле, которое и будет тем самым элементарным магнитным моментом атома.

Параллельную, антипараллельную или хаотическую ориентацию элементарных магнитных моментов создаёт обменное взаимодействие электронных оболочек соседних атомов. Сила обменного взаимодействия (А) существенно зависит от размера атома (d) и от расстояния между атомами (а).

I антипараллельное расположение элементарных магнитных моментов. Антиферромагнетики.

II параллельное расположение элементарных магнитных моментов. Ферромагнетики (Fe, Co, Ni).

III хаотическое расположение элементарных магнитных моментов. Парамагнетики.

С этой позиции очевидно, что величина и знак силы обменного взаимодействия определяются для каждого конкретного вещества расстоянием между соседними атомами. Поскольку оно изменяется с изменением температуры, она оказывает сильное влияние на магнитные свойства этих веществ, а при некоторой температуре антиферромагнетики и ферромагнетики переходят в парамагнитное состояние, когда обменное взаимодействие ослабляется очень сильно.

Формирование магнитных свойств ферримагнетиков

Ферримагнетики получили своё название от ферритов – соединений окислов железа с окислами других металлов. Общая формула имеет вид Fe₂O₃·МеО.

В технике находят применение сотни различных ферритов. Наиболее широкое распространение характерно для ферритов со структурой шпинели.

Химический сосав ферритов (феррошпинелей) соответствует формуле МеFe₂O₄. Наличие или отсутствие магнитных свойств у ферритов определяется порядком расположения атомов металла, железа и кислорода. Магнитоактивные катионы металла и железа в ферритах находятся относительно друг от друга, и их взаимодействие очень слабо. Однако здесь имеет место так называемое косвенное обменное взаимодействие всех атомов, входящих в химическое соединение. При этом атомы металла и железа приобретают сонаправленные элементарные магнитные моменты за счёт участия в обменном взаимодействии атома кислорода.

Источник