Изучение физических свойств веществ, обладающих доменной структурой

Существуют вещества, которые, в силу особенностей своего молекулярного строения, обнаруживают особые электрические и магнитные свойства. К таким веществам относятся

1.Сегнетоэлектрики, имеющие большую диэлектрическую проницаемость e, достигающие значений нескольких тысяч и являющуюся функцией напряжённости Е_о внешнего электрического поля (сегнетова соль, титанат бария и др.)

2.Ферромагнетики, магнитная проницаемостьm которых зависит от напряжённости Н_о внешнего магнитного поля и на 2-3 порядка превышает значение m для других магнетиков (Fe, Cо, Ni, их сплавы и др.).

При определённой температуре Т_к, индивидуальной для каждого вещества, их особые свойства исчезают, и сегнетоэлектрики становятся обычными диэлектриками, а ферромагнетики превращаются в парамагнетики. Эта температура носит название температуры Кюри.

Молекулы этих веществ имеют собственные дипольные р_е (сегнетоэлектрики) и магнитные р_м моменты. Если энергия взаимодействия между моментами превышает энергию теплового движения, в веществах возникают микрообласти, в которых молекулы и, соответственно, их моменты располагаются параллельно друг другу. Эти микрообласти получили название доменов. В отсутствие внешнего поля при Т<Т_к домены хаотически ориентируются друг относительно друга (рис.1-а), и поле внутри вещества отсутствует.

Если вещество с доменной структурой поместить во внешнее поле, молекулярные моменты ре (сегнетоэлектрики в поле Ео) и рм (ферромагнетики в поле Но) будут ориентироваться вдоль поля. В результате поле внутри вещества резко возрастёт (рис.1-б). Степень ориентации моментов зависит от величины поля.

При повышении температуры Т>Т_к энергия хаотического движения молекул в доменах превысит энергию взаимодействия диполей, домены разрушаются и вещество теряет свои сегнетоэлектрические или ферромагнитные свойства (рис.1-в). Такой процесс обратим, и при понижении температуры ниже температуры Кюри домены снова возникают, и вещества вновь становятся сегнетоэлектриками либо ферромагнетиками.

Схематически температурная зависимость e и m представлена на рис.2. Выше Тк эта зависимость определяется закономерностью:   e, m ~ (1) То – температура Кюри-Вейса, близкая по своим значениям к Тк.

В сегнетоэлектриках и ферромагнетиках наблюдается явление гистерезиса(рис.3).

Явление гистерезиса заключается в том. что при приложении поля к веществу, его увеличении (кривая 1 на рис.3), последующем уменьшении и смене направления на противоположное, зависимость индукции электрического поля D от напряжённостиЕ и индукции магнитного поля В от напряжённости Нописывается сложной кривой -петлёй гистерезиса (кривые 2 на рис.3).

Физическая причина существования петли гистерезиса заключается в том, что при смене направления векторов напряжённостей Е и Н полей у подобных веществ происходит переориентация дипольных моментов внутри доменов, вызывающих их вращение, изменение формы и размеров доменов. Для такого изменения молекулярной структуры вещества необходимо затратить определённую работу. Для одного цикла изменения поля эта работа равна:

в сегнетоэлектриках и

в ферромагнетиках.

Видно, что работа равна площади петли гистерезиса.