3.11 Пьезоэлектрическая поляризация
В диэлектриках с нецентросимметричной структурой, индуцированной внешним полем, возможна вынужденная поляризация, при которой дипольный момент возникает под действием механических напряжений.
Появление поляризации в диэлектрике под действием механических напряжений называется прямым пьезоэффектом. Кроме прямого пьезоэффекта существует и обратный. Он заключается в том, что при наложении внешнего электрического поля кристалл несколько сжимается или расширяется. Пьезоэффект наблюдается во всех нецентросимметричных кристаллах. Под действием механических напряжений происходит смещение заряженных частиц и, таким образом, возникает дипольный момент. Смещение частиц в кристаллах с центром симметрии не приводит к появлению поляризованного состояния, т. к. в этом случае в силу наличия центра симметрии происходит электрическая компенсация моментов, образованных за счет смещения положительно и отрицательно заряженных частиц.
Механизм возникновения пьезополяризации в кварце показан на рисунке 11.
Рисунок 11 –
Механизм возникновения пьезополяризации
в кварце:
– элементарная ячейка при отсутствии
внешних воздействий,
– ячейка растянута,
– ячейка сжата.
Пьезоэлектрики находят применение в качестве мощных излучателей и чувствительных приемников ультразвука, стабилизаторов частоты, электрических фильтров высоких и низких частот, трансформаторов напряжений и тока.
Классификации диэлектриков
Классификация диэлектриков по виду поляризации:
Линейные диэлектрики;
Нелинейные диэлектрики;
Неполярные диэлектрики;
Полярные диэлектрики;
Ионные диэлектрики.
Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.
Нелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем.
Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. В неполярных однородных диэлектриках наблюдается только электронная поляризация. Если материал является неоднородным, то кроме электронной поляризации в диэлектрике также наблюдается миграционная поляризация.
Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. В полярных однородных диэлектриках наблюдается электронная и дипольно-релаксационная поляризации. Если материал является неоднородным, то в нем также наблюдается миграционная поляризация.
Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризации. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др. [4].