Примеры решения задач по теме «Диэлектрические материалы». 5 страница

2.7.4. Пироэлектрики. ▲

Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры.

К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом.

Температурное изменение спонтанной поляризованности обусловлено двумя основными причинами: с одной стороны, повышение температуры нарушает упорядоченность в расположении элементарных дипольных моментов (первичный или истинный пироэффект), а с другой стороны, нагревание вызывает изменение линейных размеров диэлектрика и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную деформацией (вторичный пироэффект).

Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (турмалин, сульфат лития) и все сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрики проявляют пироэлектрические свойства только в монодоменизированном состоянии, для которого характерна одинаковая ориентация спонтанной поляризованности всех доменов. Пироэлектрический эффект проявляется и в поляризованной сегнетокерамике, хотя ее пироэлектрические свойства хуже, чем у монокристаллов.

Пиро- и пьезоэлектрические свойства обнаружены у некоторых полимеров, в частности, у поляризованных пленок пливинилденфторида и поливинилденхлорида. Интерес к ним вызван простотой технологии, невысокой стоимостью, возможностью изготовления образцов практически любой геометрии. К тому же они характеризуются малой инерционностью пироэффекта на ВЧ.

2.7.5. Электреты. ▲

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем пространстве электрическое поле.

Различают термо-, фото- и короноэлектреты. Первые получают из расплава полярных диэлектриков, охлаждая его в сильном электрическом поле, вторые – из материалов, обладающих фотопроводимостью при одновременном воздействии света и электрического поля, третьи – только при воздействии электрического поля, но настолько большого, что над поверхностью диэлектрика возникает газовый разряд.

Образование электретного состояния в диэлектрике обусловлено накоплением электрических зарядов обоих знаков на поверхностях электрета под поляризующими электродами. Заряды, перешедшие из поляризующего электрода или из воздушного зазора на поверхностные ловушки твердого диэлектрика и имеющие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозарядами. Заряды с противоположным знаком полярности электродов, возникающие в электрете за счет различных релаксационных механизмов поляризации, называют гетерозарядами.

Разность гомо- и гетерозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета.

У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов и органических неполярных диэлектриков – гомозаряды.

Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды.

В настоящее время наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок (полиэтилентерефталат, поликарбонат и др.). В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена.

Электреты могут быть использованы для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций в качестве дозиметров радиации, измерителей атмосферного давления и во мн. др. случаях.

2.7.6. Жидкие кристаллы. ▲

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой – для них характерна анизоторопия свойств и, прежде всего оптическая анизотропия.

Малость межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.), которая открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств различного назначения.

Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. Значительную часть жидких кристаллов составляют соединения ароматического ряда, т.е. содержащие бензольные кольца.

В настоящее время известно более 3000 органических соединений, способных существовать в мезоморфном состоянии. Среди них есть и такие вещества, у которых температурный интервал существования мезофазы включает комнатную температуру. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические.

Смектические характеризуются слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. Текучесть обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за этого они не получили широкого распространения в технике.

В нематических кристаллах длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора.

Холестерические кристаллы на молекулярном уровне похожи на нематические, но вся их структура дополнительно закручена вокруг оси, перпендикулярной молекулярным осям. Такая структура ведет себя по отношению к падающему излучению подобно интерференционному фильтру, т.е. световые лучи испытывают селективные отражения.

Область применения жидких кристаллов пока в основном ограничивается индикаторными устройствами: дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты электронных часов и цифровых измерительных приборов. Основные преимущества таких индикаторов: 1) хороший контраст при ярком освещении; 2) низкая потребляемая мощность; 3) совместимость с интегральными схемами; 4) сравнительная простота в изготовлении и низкая стоимость.

Отметим, что в жидких кристаллах для индикации используется окружающий свет, благодаря чему их потребляемая мощность значительно меньше, чем в других индикаторных устройствах (10^-4 - 10^–6Вт/см²). Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных электролюминофорах, а также в газоразрядных индикаторах. Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения.

2.7.7. Материалы для твердотельных лазеров. ▲

Лазер (light amplification by stimulated of radiation) представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

В основе принципа действия лазеров лежит открытое А.Эйнштейном явление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля.

Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки. Оптической средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера.

Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндрического стержня. Торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельность торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью мощных газоразрядных ламп.

Несмотря на то, что матрица не участвует в процессах генерации колебаний, многие физические свойства активной среды определяются именно матрицей. Поэтому вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований:

1. Неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и для излучения активных ионов, вводимых в матрицу;

2. Вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах;

3. Матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность;

4. Материал основы должен обладать высокой нагревостойкостью и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации;

5. Матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки;

6. Материал должен быть технологичным, т.е. доступным для массового производства цилиндрических стержней необходимых размеров;

7. Структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации.

Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения (окислы, гранаты, вольфраматы, молибдаты, ниобаты и др.), фториды различных металлов, а также оксидные и фторбериллатные стекла. Основу последних составляет BeF₂.

Одним из наиболее освоенных материалов лазерной техники является рубин. Рубинами называют кристаллы a-корунда (Al₂O₃), в которых часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина. Розовые рубины, использующиеся в лазерной технике, имеют концентрацию ионов хрома 1.6 ·10²⁵ в одном кубическом метре.

Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет почти кубическую симметрию. Ценными качествами рубина являются высокие механическая прочность и теплопроводность.

Наряду с рубином важнейшим материалом лазерной техники является иттрий-алюминиевый гранат, в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия замещена ионами неодима. Низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность дают возможность применять этот материал в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах.

Лазеры находят применение в системах оптической локации, в телевидении, в голографии, информационно-измерительной технике, в медицине. С их помощью осуществляется дальняя космическая связь. Широкое распространение получила лазерная обработка оптически непрозрачных материалов: импульсная сварка, плавление, пайка, отжиг, сверление отверстий, резание и др.

Примеры решения задач по теме «Диэлектрические материалы».