Пироэлектриками называются кристаллы, характеризуемые отличным от нуля вектором спонтанной поляризации Р@) или спонтанной индукции Z)@) = 4яР<0). Материальное уравнение электростатики для пироэлектрических кристаллов D = DW + kE C1.1) в сочетании с уравнениями электростатики и граничными условиями позволяет выяснить поведение этих кристаллов в отсутствие внешних полей. Рассмотрим, например, шар радиуса R из пироэлектрического кристалла; воспользуемся при этом, как и в задаче о кристаллическом шаре в § 28, неопределенными тензорами Р и у, зависящими только от и. Естественно ожидать, что дипольный момент шара равен C1.2) поле вне шара определяется этим дипольным моментом, так что его потенциал ф(*) = (Я/гKг.7-Я@), C1.3) а поле внутри шара однородно: фе) = _г.р.я@)# C1.4) Из граничных условий получим 0, C1.5) 0, C1.6) где R — радиус-вектор произвольной точки на поверхности шара. Решение электростатической задачи не изменилось бы, если бы мы могли по своему произволу перед экспериментом сообщать кристаллу любую наперед заданную спонтанную индукцию D{0\ не меняя при этом его диэлектрической проницаемости к, а следовательно, и тензоров р и у. Поэтому можно считать направления векторов R и Z)@) произвольными и перейти от равенств C1.5) и C1.6) к тензорным уравнениям Решая их, получим . C1.7) 204 ВВЕДЕНИЕ В КРИСТАЛЛОФИЗИКУ ГГЛ III Таким образом, вокруг пироэлектрика образуется поле с напряженностью £<«> =* _ grad <р<#> = (Rs/rb) (Ъгг - гЧ) (м + 2I)-1. Я<°>, C1.8) которая уменьшается по мере удаления от кристалла, как 1/г3, а внутри него возникает однородное поле g напряженностью C1.9) — 2£«\ C1.10) и с индукцией которая, как видно, не равна спонтанной индукции. Поля вектора индукции и вектора напряженности изображены на рис. 31.1. Пироэлектрические кристаллы другой формы в отсутствие внешнего поля, очевидно, ведут себя аналогично. Поле внутри них уже не будет одно- • родным, но важно, что оно, как правило, отлично от нуля. Вокруг себя они также создают поле, которое, правда, совпадает с полем диполя лишь на расстояниях, значительно превышающих линейные размеры кристалла, а вблизи него в большей или меньшей степени — в зависимости от формы кристалла — искажено. Но наличие полей как вне, так и внутри кристалла является общей чертой всех пироэлектрических кристаллов независимо от их формы. Однако ясно, что реальные условия жизни кристаллов исключают возможность неограниченно долгого существования таких полей. Все диэлектрики обладают хотя бы и очень малой, но все же отличной от нуля проводимостью, и вследствие этого в кристалле будет происходить медленный перенос заряда; поле же перенесенных к границе зарядов будет противодействовать как полю вне кристалла, так и полю внутри него. Кроме этого, в воздухе всегда находится некоторое количество ионов, которые под действием поля, существующего вне кристалла, будут — в зависимости от знака заряда — притягиваться к той или иной части поверхности кристалла, их поля также будут противодействовать полю кристалла и, в конечном счете, уравновешивать его. 6) Рис. 31.1. Взаимное расположение векторов спонтанной индукции и напряженности электрического поля в шаре из пироэлектрического кристалла класса 1 или т (а) и любого из остальных пироэлектрических классов(б) § 321 ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В КРИСТАЛЛАХ 205 Поэтому пироэлектрические свойства кристалла наблюдают и измеряют, достаточно быстро изменяя его температуру, поскольку спонтанная поляризация зависит от температуры. Отсюда и название самого явления — пироэлектричество («пирос» — по гречески огонь). Таким образом, измеряется не сама спонтанная поляризация, а лишь ее изменение с температурой. В первом приближении оно линейно: TJ. C1.11) Вектор р называется вектором пироэлектрических коэффициентов. Однако основной характеристикой пироэлектрика, определяющей возможность его практического применения, служит пироэлектрическая добротность рЫ, равная отношению абсолютной величины пироэлектрического коэффициента р к нормальной составляющей тензора диэлектрической проницаемости в направлении пироэлектрической оси х = р'Н-р/р2. Практическое использование пироэлектрического эффекта стало возможным лишь несколько лет тому назад, когда было освоено промышленное производство кристаллов с большими значениями пироэлектрического коэффициента (в основном сегнетоэлектри- ков *)). В первую очередь здесь надо назвать сульфат лития и селенат лития, у которых величина пироэлектрического коэффициента оказалась на порядок больше, чем у всех известных до тех пор пироэлектриков. Недостатком новых пироэлектриков является, однако, сильная зависимость пироэлектрического коэффициента от температуры и обусловленная ею нестабильность пироэффекта. Значительным пироэффектом обладают также некоторые текстуры, в особенности керамика из титаната бария. Пироэлектрические кристаллы используются для электрических термометров, дающих возможность измерения температуры с точностью до 10~р К, а также для изготовления чувствительных приемников быстро меняющихся тепловых потоков, в частности, инфракрасного излучения. В этом отношении применение пироэлектрических кристаллов чрезвычайно перспективно.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Пироэлектрики» з дисципліни «Основи кристалофізики»
