Электрические свойства твердых тел, страница 8

Если поляризация диэлектрика происходит вследствие движения частиц одного сорта, то его поляризация при включении электрического поля устанавливается по экспоненциальному закону

                                                          (2.3.29)

где - значение установившейся поляризации, t - временная константа релаксации данного материала, оцениваемая из условия:

, то есть это время нарастания поляризации до уровня около 2/3 от равновесной . При  .

Если по достижении некоторой поляризации Р(0) внешнее электрическое поле в момент времени t₀ выключить, то процесс пойдет в обратном направлении, темп деполяризации подчиняется также экспоненциальному закону  

                                                                 (2.3.30)

где t^¢  - временная константа деполяризации, определяемая из условия:  при t = t¢     

Главным фактором, способствующим снижению времени релаксации t и t', является повышение температуры процесса, важные особенности в процессе релаксации вносит существование собственных частот колебаний ионов и молекулярных диполей, из которых состоит диэлектрик. Поскольку процессы поляризации и деполяризации соответствуют переходам электронов, ионов и диполей из одного равновесного состояния в другое, общее уравнение для времени релаксации напоминает уравнение Аррениуса:   

                                                                        (2.3.31)

где n - частота собственных колебаний частиц в положениях равновесия, U - высота потенциального барьера при переходе из одного состояния в другое. В диэлектриках с возможностью реализации всех четырех механизмов поляризации следует учитывать, что для каждого из видов поляризации свойственны собственные значения n  и U. Время релаксации t можно рассматривать как некоторую интегральную характеристику процесса поляризации.

Отметим еще, что объемно-зарядовая поляризация может осуществляться как за счет миграции свободных зарядов, которые всегда в небольшом количестве присутствуют в твердых диэлектриках, так и за счет движения сторонних зарядов, инжектируемых в объем диэлектрика из электродов, создающих электрическое поле, или из окружающей среды. Движению этих зарядов препятствует образование дополнительного встречного поля, обусловленного накоплением объемного заряда как вследствие закрепления частиц-носителей на различных дефектах внутри объема, так их накопление около поверхностей ("приэлектродная поляризация"). Таким образом, время релаксации t является также структурно-чувствительным параметром материала.

2.3.5.Диэлектрики с особыми свойствами.

2.3.5.1. Электреты

В природе были обнаружены электрические смолоподобные вещества (воск, канифоль, сера, нафталин, поликристаллы и монокристаллы обычного льда,), искусственно получены полимеры (нейлон, фторопласт, полиметилметакрилат, поливинилацетат), керамики и стекла (борное стекло и многие другие стекла и ситаллы, титанаты: бария, кальция, стронция, цинка), монокристаллы из кварца, корунда, рутила, щелочно-галоидных соединений, в которых релаксация поляризации протекает очень медленно при комнатной и пониженной температурах.

Время релаксации в таких материалах может составлять месяцы и годы. Например, поверхностная плотность заряда s_q » 10^-8  Кл/см² на пленках фторопласта Ф-4 может сохраняться неизменной в течение

нескольких лет. Такие вещества, способные длительно сохранять состояние поляризованности, являющиеся устойчивыми макроскопическими электрическими диполями и напоминающие постоянные магниты, называют   э л е к т р е т а м и.

По методу изготовления практически используемых материалов различают термоэлектреты и фотоэлектреты, хотя электретное состояние может возникнуть и вследствие других воздействий - магнитных полей, механических усилий (трения или деформации) сильных электрических полей, радиационных потоков. Термоэлектреты получают поляризацией нагретого вещества в электрическом поле с последующим охлаждением при наличии поля. Фотоэлектретное состояние реализуется одновременным воздействием электрического поля и света на вещества, обладающие повышенной фотопроводимостью. Фотоэлектретное состояние используется для быстрой записи информации, стирание которой может осуществляться сильным электрическим полем или нагревом.

Электреты находят применение как источники постоянного электрического поля (но не тока) и в этом качестве они используются как фильтры для очистки газов. Они являются основными элементами электретных вольтметров и электрометров. Кроме того, элементы из веществ, находящихся в электретном состоянии, используются как датчики и преобразователи в таких устройствах, как микрофоны и телефоны, генераторы тока и вибродатчики, тахометры и датчики давления, дозиметры проникающей радиации и гигрометры. Область применения этих материалов расширяется по мере изготовления все более совершенных по свойствам электретных материалов.

2.3.5.2. Сегнетоэлектрики

Особый класс веществ составляют диэлектрики с аномально высокой диэлектрической проницаемостью e³1000 (BaTiO₃, PbTiO₃, PbZrO₃ и другие) - сегнетоэлектрики. Их высокая диэлектрическая проницаемость с наличием в них в пределах некоторого температурного интервала самопроизвольно (спонтанно) поляризованных участков-доменов, с размерами порядка 0,1...10 мкм в поперечнике. Спонтанная поляризация наблюдается и в отсутствие внешнего электрического поля, однако электрические моменты доменов в этом случае ориентированы так, чтобы суммарный дипольный момент образца был минимальным или даже нулевым. Равновесная доменная структура (рис.2.3.14) формируется в процессе образования кристалла и отвечает минимуму свободной энергии. В идеальном кристалле минимум определяется противоборством электростатического взаимодействия, ориентирующего различные части кристаллами, с увеличением энергии доменных границ.

Рис.2.3.14. Фрагмент доменной структуры, стрелки и знаки (+) и (·) указывают направление поляризованности

Общепризнанно, что междоменные границы, называемые стенками Блоха, представляют собой плоскую область толщиной до десяти параметров решетки, где наблюдается постепенная перестройка от ориентации поляризованности одного домена к ориентации другого. В реальных кристаллах на доменную структуру и динамику ее перестройки влияют дефектность решетки и предыстория образца.