§ 35. ДИЭЛЕКТРИКИ И ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Так как в проводнике число свободных электронов примерно равно числу атомов, то в проводника их количество измеряется числами порядка . Ничтожной доли этого количества электронов достаточно для того, чтобы при перемещении к одной из поверхностей создать внутри проводника электрическое

поле, напряженность которого равна напряженности внешнего поля по модулю и противоположна по направлению. Перемещение свободных зарядов в проводнике, помещенном в электрическом поле, прекращается тогда, когда в любой точке внутри проводника напряженность суммарного электрического поля становится равной нулю.

При внешнем сходстве электризация проводников и диэлектриков имеет существенные различия. Индуцированные заряды на поверхности проводников возникают в результате перемещения свободных зарядов внешним полем. После разделения находящегося в электрическом поле проводника на две части и удаления обеих частей из поля они оказываются разноименно заряженными.

Аналогичный опыт с диэлектриком дает совсем другой результат: части разделенного в электрическом поле диэлектрика оказываются электрически нейтральными, т. е. индуцированные заряды в диэлектриках разделить невозможно. В диэлектриках практически нет свободных зарядов, способных перемещаться под действием поля. Механизм электризации диэлектриков называется поляризацией и заключается в перераспределении под действием поля зарядов внутри нейтральных атомов и молекул либо в поворотах диполей в полярных диэлектриках.

Заряды на поверхности наэлектризованного полем тела уменьшают напряженность внешнего поля в пространстве, занимаемом образцом.

Величина, показывающая, во сколько раз напряженность поля Е в веществе меньше, чем напряженность поля в вакууме, называется относительной диэлектрической проницаемостью данного вещества:

Электреты. В некоторых диэлектриках поляризация не исчезает сразу после устранения внешнего электрического поля. Диэлектрики, длительно сохраняющие поляризацию после устранения внешнего электрического поля и создающие в окружающем пространстве собственное электрическое поле, называются электретами.

Время сохранения поляризации без заметного ее уменьшения в различных электретах различно. Во многих случаях оно исчисляется десятилетиями. К электретам относятся многие известные диэлектрики: стекло, плексиглас, эбонит, канифоль, сера, парафин, нейлон. Но качество этих электретов невысокое. Если расплавить смесь воска и смолы и медленно охладить ее до комнатной температуры в электрическом поле с напряженностью порядка ориентация молекулярных диполей, полученная в жидком состоянии, сохраняется и в затвердевшей смеси. Диполи как бы замораживаются». В результате получается образен, создающий в окружающем пространстве электрическое поле, которое существует практически неограниченно долго.

Рис. 69. Схема опыта по наблюдению электретных свойств оргстекла

Рис. 70. Схема устройства конденсаторного мнкрофон-телефона: 1 — электрет; 2 — мембрана; 3 — корпус; 4 — выводы

В существовании электретных свойств оргстекла можно убедиться на простом опыте, схема которого изображена на рисунке 69. Соединим борны 1 электрофорной машины с двумя пластинами 3 и 5 плоского конденсатора. Одна из пластин конденсатора 5 закреплена неподвижно, а другая 3 подвешена над ней на пружине 2 малой жесткости. Расположим на нижней пластине лист стекла 4. При вращении дисков электрофорной машины пластины конденсатора приобретают разноименные заряды и верхняя пластина притягивается к нижней до соприкосновения со стеклом. Выдержав диэлектрик под напряжением 10—15 с, закоротим пластины конденсатора, сблизив борны 1 электрофорной машины до касания. При этом свободные заряды пластин конденсатора взаимно нейтрализуются, внешнее электрическое поле устраняется, и под действием пружины верхняя пластина отрывается от нижней.

Повторим опыт, поместив в конденсатор пластину оргстекла. Казалось бы, после выдержки под напряжением и последующем закорачивании пластина конденсатора должна возвратиться в исходное положение. Но, как показывает опыт, она довольно долго остается на поверхности оргстекла. Следовательно, закорачивание пластин конденсатора поляризации не устраняет. Оставшиеся связанные заряды оргстекла индуцируют на пластинах конденсатора заряды противоположного знака, которые и удерживают пластину.

Рассмотрим устройство конденсаторного микрофон-телефона, в котором электрическое поле создается электретом (рис. 70). При колебаниях мембраны зазор между мембраной и поверхностью электрета меняется. Это приводит к изменению емкости конденсатора мембрана — электрет. Изменение емкости конденсатора при постоянной величине заряда на его обкладках приводит к тому, что на выходных

контактах возникает переменное напряжение, частота которого равна частоте звуковых колебаний. Так это устройство работает в режиме микрофона, создавая от человеческого голоса средней громкости напряжение в несколько вольт на входном сопротивлении 1 МОм.

Нетрудно видеть, что конденсаторный микрофон — обратимое устройство, т. е. он может работать в режиме телефона. При изменениях потенциала мембрана в зависимости от знака заряда на ней либо притягивается к электрету, либо отталкивается от него, т. е. осуществляется преобразование электрических колебаний в механические.

Спонтанная поляризация. Если в ионном кристалле центры положительного и отрицательного зарядов ионов, расположенных в одной элементарной ячейке, не совпадают, то каждая элементарная ячейка такого кристалла может рассматриваться как диполь. До тех пор пока энергия взаимодействия между такими диполями превышает среднюю энергию теплового движения частиц, отдельные микроскопические области кристалла могут быть самопроизвольно, или, как принято говорить, спонтанно, поляризованными. В каждой из таких областей, называемых доменами, диполи элементарных ячеек ориентированы одинаково, но сами домены ориентированы хаотично. На поверхности кристалла чередуются положительно и отрицательно заряженные участки, и кристалл в целом не создает в окружающем пространстве электрического поля.

Сегнетоэлектрики. Кристаллы, обладающие в некотором температурном интервале спонтанной поляризацией, называются сегнетоэлектриками. Основные свойства сегнетоэлектриков впервые были изучены в 30-х годах советскими физиками И. В. Курчатовым и П. П. Кобеко на кристаллах сегнетовой соли. Впоследствии было открыто и исследовано около 80 сегнетоэлектриков. Наиболее интересным для практических применений является титанат бария , открытый советским физиком Б. М. Вулом в 1944 г.

Внесение сегнетоэлектрика в электрическое поле приводит к тому, что в части его доменов все диполи ориентируются вдоль линий напряженности (рис. 71). При плавном увеличении напряженности электрического поля происходит поочередная

Рис. 71. Схема доменной структуры сегнетоэлектрика: а — при отсутствии электрического поля; б — в сильном электрическом поле

ориентация одного домена за другим, т. е. поляризация возрастает не плавно, а скачками (эффект Баркгаузена).

В достаточно сильном электрическом поле может быть завершена ориентация всех доменов.

При уменьшении напряженности внешнего поля до нуля индуцированная поляризация в сегнетоэлектрике частично остается из-за того, что многие домены сохраняют созданную электрическим полем ориентацию. Для устранения остаточной поляризации в сегнетоэлектрическом образце его необходимо поместить в электрическое поле противоположного направления. Величина напряженности этого поля, необходимого для устранения остаточной поляризации, называется коэрцитивной силой. Для монокристаллов титаната бария коэрцитивная сила достигает величины .

Вследствие того что в сегнетоэлектриках происходит ориентация целых макроскопических областей — доменов, а не отдельных молекулярных диполей, как в полярных диэлектриках, сегнетоэлектрики обладают большой диэлектрической проницаемостью. Сегнетоэлектрические материалы, обладающие высокими значениями диэлектрической проницаемости, порядка 103—104, применяются для изготовления малогабаритных конденсаторов.

Остаточная поляризация сегнетоэлектриков внешне не проявляется, так как поверхностные заряды нейтрализуются ионами из атмосферы и свободными носителями зарядов, имеющимися в каждом диэлектрике. Можно обнаружить только изменения остаточной поляризации.

Точка Кюри. Для сегнетоэлектриков характерно наличие предельной температуры — точки Кюри, выше которой тепловое движение нарушает ориентацию диполей в домене, спонтанная поляризация исчезает и сегнетоэлектрик становится обычным диэлектриком. Точка Кюри для титаната бария близка к 120 °С. Переход через точку Кюри сопровождается резким изменением диэлектрической проницаемости. Это обусловлено тем, что при температуре Кюри происходит перестройка кристаллической структуры. Например, при температуре выше точки Кюри кристаллическая решетка титаната бария является идеальной кубической (рис. 72). Она обладает центром симметрии, совпадающим с положением иона титана Центры положительного и отрицательного зарядов ионов в каждой ячейке совпадают.

При переходе через точку Кюри в сторону снижения температуры элементарные ячейки преобразуются. В одном из направлений

Рис. 72. Элементарная ячейка кристалла титаната бария

ребра становятся примерно на 1% длиннее, чем в двух других направлениях. Это дает возможность иону титана смещаться в сторону одного из шести окружающих его ионов кислорода. При этом элементарная ячейка становится электрическим диполем. Сильное взаимодействие между ионами соседних ячеек вызывает согласованное смещение ионов титана в одном направлении, что приводит к образованию домена — макроскопической области спонтанной поляризации.

Пьезоэлектрический эффект. Если подвергнуть образец сегнетоэлектрика одностороннему сжатию вдоль направления остаточной поляризации, то размеры образца и каждой элементарной ячейки в этом направлении уменьшатся. При этом уменьшится расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов в каждой ячейке и остаточная поляризация образца в целом. В результате изменится разность потенциалов между гранями образца, перпендикулярными направлению действия силы. При растяжении образца остаточная поляризация и соответствующая ей поверхностная плотность зарядов на гранях увеличатся, что приведет к возникновению разности потенциалов противоположного знака.

Явление возникновения поляризационных зарядов при деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Оно было открыто в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри на несегнетоэлектрическом материале — кварце.

Все сегнетоэлектрики являются пьезоэлектриками, но далеко не все пьезоэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами.

Количественно пьезоэффект характеризуется коэффициентом называемым пьезомодулем:

где — возникший заряд, — деформирующая сила.

Существует и обратный пьезоэффект — деформация пьезоэлектрика при помещении его в электрическое поле. Обратный пьезоэффект объясняется тем, что под действием электрического поля элементарные ячейки удлиняются или укорачиваются, а это приводит к макроскопической деформации образца. Величина деформации пропорциональна приложенной разности потенциалов и зависит от пьезомодуля. Прямой и обратный пьезоэффекты широко применяются в практике для преобразования механических колебаний в электрические и электрических в механические. Пьезоэлектрический элемент находится в головке современного электрофона для воспроизведения грамзаписи.