Feroelektrinių medžiagų fizika: kaip tai veikia? (0)

2013-06-17

Turbūt daugelis girdėjo apie išmaniąsias medžiagas (angl. – „smart materials“) – tai medžiagos, turinčios vieną ar kelias savybes, kurias galima ženkliai keisti ir valdyti išoriniais poveikiais, tokiais kaip elektriniu ar magnetiniu laukais, mechaniniu poveikiu, temperatūra ir kitais. Išmaniosios medžiagos elgiasi ganėtinai keistai, lyginant su paprastomis medžiagomis. Šiais laikais yra atrasta daug išmaniųjų medžiagų klasių ir tipų. Vienos iš jų yra feroelektrikai – šių medžiagų savybes ir praktinį pritaikymą aktyviai tiria ir KTU mokslininkai kartu su „Taikomosios fizikos“ studijų programos studentais. Tad kas gi tai per medžiagos ir kuo jos ypatingos?

Prisijunk prie technologijos.lt komandos!

Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.

Sudomino? Užpildyk šią anketą!

Feroelektrikų terminas šioms medžiagoms prigijo dėl panašaus, bet ne analogiško efekto, kuris siejamas su feromagnetikais (visiems žinomais „magneto“ pavadinimu). Panašumas šiuo atveju yra tik tame, kad feroelektrikai geba įsielektrinti taip pat, kaip feromagnetikai geba įsimagnetinti. Visų pirma reikėtų apibrėžti kokios gi medžiagos yra feroelektrikai? Feroelektrikai – tai medžiagos, galinčios įsielektrinti, jei jas veikia išorinis elektrinis laukas ir išlaikyti įsielektrinimo savybę panaikinus išorinį elektrinį lauką. Turbūt visi atsimena elementarų bandymą, demonstruojamą mokykloje su popieriaus skiltelėmis ir liniuote, įtrinta į medvilninę drobę. Įelektrinta liniuotė traukia popieriaus skiauteles. Tai vyksta dėl to, kad aplink liniuotę yra nevienalytis elektrinis laukas, kuris perskirsto (perstumia) krūvininkus popieriaus skiautelėje. Vienoje pusėje jų atsiranda daugiau, kitoje mažiau - sakoma, kad dielektrikas (medžiaga, nepraleidžianti elektros srovės) poliarizuojasi, t.y. medžiagoje atsiranda du poliai – teigiamas ir neigiamas. Todėl liniuotėje esantis krūvis pritraukia skiauteles. Panašiai vyksta ir feroelektrikuose, tačiau skirtingai nuo popieriaus skiautelių (kaip ir dauguma dielektrikų), kurios panaikinus išorinį elektrinį lauką vėl tampa elektriškai neutralios, feroelektrikuose šis įsielektrinimas lieka. Tokiose medžiagose vienoje pusėje lieka teigiamo krūvio perteklius, o kitoje - neigiamo. Tokiu atveju sakoma, kad kristalas pasižymi liktine poliarizacija. Negana to, feroelektrikų įsielektrinimo kryptį (poliarizacijos kryptį) galima pakeisti į priešingą. Tai galima padaryti keliais būdais, bet paprasčiausias yra veikiant elektriniu lauku. Poliarizacijos krypties ir dydžio (t.y. poliarizuotumo) priklausomybė nuo išorinio elektrinio lauko stiprio pavaizduota 1a pav. Matome, kad panaikinus išorinį elektrinį lauką poliarizuotumas nėra lygus nuliui, o turi liekamąją vertę. Jos kryptį taip pat galima apkeisti į priešingą.

Kaip ir kodėl tai vyksta? Viskas slypi feroelektrinių medžiagų kristalinės gardelės ypatume. Kalbant apie kristalinių dielektrikų vidinę struktūrą reikėtų paminėti, kad vieni jų yra centrosimetriniai, o kiti necentrosimetriniai kristalai. Skirtumas tarp jų yra tik toks, kad centrosimetriniuose kristaluose teigiami ir neigiami jonai yra išsidėstę simetriškai gardelės centre esančio jono atžvilgiu.

Tokiuose kristaluose jonų krūvių centrai sutampa ir turi vieną pusiausvyros padėtį, taip sudarydami bendrą teigiamų ir neigiamų jonų pusiausvyrą. Dėl to paprasti dielektrikai neveikiant jų išoriniu lauku būna elektriškai neutralūs. Tačiau necentrosimetriniuose kristaluose jonai išsidėsto labai savotiškai: kristalų gardelės (1b pav.) mazguose atitinkami jonai (B) gali užimti pusiausvyras padėtis tik arčiau kito jono (A) – į kairę arba į dešinę.

Schematiškai link kurio (A) jono yra pritrauktas jonas (B) vaizduojama rodyklytėmis. Sakoma, kad tokiuose kristaluose potencialinis (jono (B)) reljefas erdvėje yra bipoliarinis (2a pav.). Tai patogu vaizduoti kaip rutuliuką, esantį didelėje duobėje, kurios dugne yra dar dvi duobutės. Rutuliukas gali būti tik vienoje iš dviejų duobučių, bet kad peršoktų į kitą, jam reikia suteikti papildomos energijos ΔW. Panašiai gali šokinėti ir jonas feroelektriniuose kristaluose, tik juose vietoj žemės traukos (gravitacinio lauko), rutuliuką, tiksliau joną (B), veikia aplinkinių jonų elektrinis laukas.

Įdomu tai, kad feroelektrikuose jonai B išsidėsto vienoda kryptimi sritelėse, vadinamose feroelektriniais domenais (2b pav.). Taip energetiškai palankiau – jonai būna mažiausios potencinės energijos būsenoje. Veikiant išoriniu elektriniu lauku, jonai, esantys domenuose, persislenka viena kryptimi, t.y. domenus vieną po kito galima orientuoti norima kryptimi. Tačiau tam reikia energijos. Orientavus atitinkamai ir panaikinus išorinį elektrinį lauką tik maža dalis jonų grįžta į priešingą būseną. Didžioji dalis taip ir lieka vienoje iš bipolinių pozicijų. Taip kristalas lieka poliarizuotas.

KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (buvusio Fundamentaliųjų mokslų fakulteto)
Fizikos katedros
Docentas dr. Vytautas Stankus

Pasidalinkite su draugais

Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: Vytautas Stankus

(0)

Komentarai (0)