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.

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. В определенном диапазоне температур проявляется ряд специфических свойств. Температура T_К (сегнетоэлектрическая точка Кюри) - температура фазового перехода, ниже этой температуры сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными 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 (см. рис. 4.2) - диэлектрической петли гистерезиса, и резко выраженная температурная зависимость (рис. 4.3). Известно несколько сегнетоэлектриков которые разделены на две группы: 1) ионные кристаллы: титанат бария, свинца; ниобат калия KNbO₃ и др.; 2) дипольные кристалы: сегнетова соль: NaKC₄H₄O₆, дигидрофосфат: KH₂PO₄.

Применение: малогабаритные низкочастотные конденсаторы с большой удельной емкостью; материалы 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.

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).

Пьезоэлектрики - диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений.

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.

Рисунок 4.2 - Основная кривая поляризации сегнетоэлектрика и петля диэлектрического гистерезиса

Рисунок 4.3 - Диэлектрическая проницаемость титаната бария в зависимости от температуры при различной напряженности электрического поля

Пароэлектрики - диэлектрики, обладающие пароэлектрическим эффектом, который состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры.

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).

Это - ниобат бария-стронция, триглицинсульфат - ТГС, танталат лития, ниобат, поляризованные поливинилденфторид и поливинилиденхлорид.

Электреты - диэлектрики способные длительное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электрическое поле.

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.

Контрольные вопросы

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?