Pole elektryczne w ośrodku materialnym

Transkrypt

1 Pole elektryczne w ośrodku materialnym Ryszard J. Barczyński, 2017 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Stała dielektryczna Stała dielektryczna dla różnych materiałów zmienia się w dosyć szerokich granicach, jej przykładowe wartości (w temperaturze pokojowej) przedstawia tabelka

3 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.

4 Mechanizmy polaryzacji dielektryka Polaryzacja jonowa zachodzi w substancjach o wiązaniach jonowym i polega na przesunięciu jonów o przeciwnych znakach w przeciwne strony.

5 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.

6 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).

7 Piezoelektryki Piotr Curie 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.

8 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.

9 Struktura piezoelektryków Znane są wyniki badań około tysiąca kryształów o własnościach piezoelektrycznych. Tylko kilka z nich znajduje szerokie zastosowanie praktyczne.

10 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.

11 Piroelektryki ciepło 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.

12 Piroelektryki zastosowania Czujniki ruchu zawierające podwójny element piroelektryczny. (Perkin Elmer).

13 Piroelektryki zastosowania Bardzo perspektywicznym zastosowaniem piroelektryków wydaje się być termowizja. Element matrycy pod mikroskopem STM Piroelektryczna matryca termowizyjna

14 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.

15 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).

16 Ferroelektryki Ferroelektryki charakteryzują się strukturą domenową. Domeny są obszarami o określonej polaryzacji dielektrycznej.

17 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.

18 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.