Фізика. Профільний рівень. 10 клас. Засєкіна

§ 55. Електрети і сегнетоелектрики. Рідкі кристали в електричному полі

Електрети. Серед твердих діелектриків існує група речовин, які можуть тривалий час зберігати наелектризований стан (бути поляризованими) і за відсутності зовнішнього електричного поля. Ці речовини дістали назву електретів. Подібні властивості має ряд органічних (парафін, бджолиний віск, нейлон, ебоніт тощо) і неорганічних (сірка, борне скло та інші) речовин.

Така властивість електретів зумовлена тим, що виникає залишкова поляризація, оскільки на процеси поляризації та деполяризації потрібен різний час. Прискорити процес деполяризації можна шляхом підвищення температури діелектрика. Час збереження поляризації без помітного її зменшення в різних електретів різний. У деяких електретів він може сягати кількох десятків років.

Електрети знайшли застосування в техніці як джерела постійного електричного поля, зокрема в електрографії.

Сегнетоелектрики. Діелектрична проникність деяких діелектриків за певної температури набуває великих значень. Спочатку таку властивість було виявлено у кристалів сегнетової солі, і тому всі діелектрики цього типу дістали назву — сегнетоелектрики. Термін «сегнетоелектрика» ввів у науку Ігор Васильович Курчатов у 30-х роках минулого століття.

Діелектрична проникність сегнетової солі може перевищувати діелектричну проникність вакууму в декілька тисяч разів. Вона помітно змінюється зі зміною напруженості зовнішнього електричного поля.

Аномально велика діелектрична проникність сегнетоелектриків зумовлена виникненням у цих речовин у певному інтервалі температур вираженої спонтанної (самодовільної) поляризації. Навіть за відсутності зовнішнього електричного поля окремі ділянки кристала сегнетоелектрика (домени) виявляються поляризованими, але в різних напрямках (мал. 255, а). Тому в цілому весь кристал сегнетоелектрика поводить себе так, ніби він зовсім не поляризований. Під дією електричного поля відбувається зміна напрямку поляризації (зміна орієнтації) доменів — вони повертаються в напрямку цього поля (мал. 255, б). Сегнетоелектрик частково зберігає свою поляризацію і тоді, коли його видалити з поля. Виявляється, що домени є в сегнетоелектриках лише в певному інтервалі температур, і саме за цих температур у них зберігаються сегнетоелектричні властивості. Наприклад, сегнетова сіль має ці властивості лише за температур від -15 до 22,5 °С.

Мал. 255. Схема доменної структури сегнетоелектрика: а — якщо електричне поле відсутнє; б — у сильному електричному полі

Сегнетоелектрики використовуються для виготовлення генераторів і приймачів ультразвукових хвиль та інших радіотехнічних пристроїв.

П’єзоелектричний ефект. Вивчення властивостей твердих діелектриків показало, що деякі з них поляризуються не лише за допомогою електричного поля, а й у процесі деформації внаслідок механічної дії на них.

Прямий п’єзоелектричний ефект — явище поляризації діелектрика під час механічної дії на нього.

Цей ефект мають кристали кварцу й усі сегнетоелектрики. Щоб його спостерігати, з кристала вирізають прямокутний паралелепіпед, грані якого мають бути орієнтовані певним чином відносно кристала. Дві його протилежні грані покривають металевими пластинами з відводами для підключення до електричного кола.

При здавлюванні паралелепіпеда одна його грань заряджається позитивно, а друга — негативно. Якщо стискання замінити розтягом паралелепіпеда, то знаки на його гранях зміняться на протилежні.

Прямий п’єзоелектричний ефект можна пояснити так. Усі п’єзокристали не мають центра симетрії і складаються з позитивних і негативних йонів, які утворюють ніби дві самостійні підґратки, вставлені одна в одну. Коли п’єзокристал стискують (розтягують), ці підґратки зсуваються одна відносно одної, й одна поверхня кристала заряджається позитивно, а друга — негативно.

У п’єзокристалів спостерігається і зворотне явище — деформація поляризованого кристала.

Зворотний п’єзоелектричний ефект — деформація кристалів унаслідок його поляризації в зовнішньому електричному полі.

Якщо пластинку, вирізану з п’єзокристала, помістити в електричне поле, що постійно змінюється, то вона пульсуватиме в такт змінам поля. Цей ефект використовується для добування ультразвуку в радіотехнічних пристроях.

Рідкокристалічні дисплеї. Поєднуючи властивості рідин і твердих тіл (текучість, анізотропія), рідкі кристали проявляють специфічні ефекти, багато з яких не спостерігаються в рідинах і твердих тілах.

Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів — рідкокристалічні дисплеї. Рідкокристалічний дисплей (англ. liquid crystal display, LCD) — це електричний пристрій візуального відображення інформації, принцип дії якого ґрунтується на явищі поляризації світлового потоку. (З явищем поляризації ви детально ознайомитесь у розділі «Оптика».)

Рідкокристалічна панель освітлюється джерелом світла (залежно від того, де воно розташоване, рідкокристалічні панелі працюють на відбиванні або на проходженні світла).

Для отримання кольорового зображення використовують три фільтри (мал. 256), що виділяють з білого світла джерела три основні кольори (синій, зелений, червоний). Завдяки комбінуванню трьох основних кольорів для кожної точки (пікселя) екрана з’являється можливість відтворити будь-який колір.

Мал. 256. Схема отримання зображення в рідкокристалічному дисплеї

Рідкокристалічні дисплеї споживають невелику кількість енергії, тому вони знайшли широке застосування в годинниках, мобільних телефонах, у комп’ютерних моніторах, телевізорах тощо.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

  • 1. Які діелектрики називають електретами? Сегнетоелектриками?
  • 2. У чому суть п’єзоелектричного ефекту?
  • 3. Наведіть практичні приклади використання сегнетоелектриків, електретів, рідких кристалів.