铁电体和电介质

  有一些特殊的晶体电介质，如酒石酸钾钠(NaKC4H4O6.4H2O)、钛酸钡(BaTiO3)等，P与E之间呈现出如图2.24所示的复杂非线性关系.这种关系表明∶当电场E从零开始向正向增大时，P沿OA 曲线随着增大，到达A 点饱和，即E再增大P也不再增加.从饱和点A若E减小时，P不沿AO曲线减小返回零，而是沿AB曲线减小，当E减至零时，P减至B点的P值，并不为零，当E继续反向增大时，P沿BC曲线减小，当E反向增至Ec时，P才减至零，E反向继续增大，P反向沿CA'曲线反向增大至A'点，P值饱和.当E从A'点反向减小时，P沿A'B'曲线反向减小，当E反向减至零时，P反向减至B'点的P值.当从B'点E正向增大时，P沿BCA曲线返至A点的P值，并循环一圈，构成ABCA'B'C/A闭合极化曲线.这条曲线称为铁电体的电滞回线.

  铁电体有一独特的温度特性，每一种铁电体材料有一个特定的温度，低于此温度时材料呈铁电体性质，而高于此温度时材料的铁电性质消失而转变为一般性质的电介质.此温度称为材料的转换温度或居里温度.BaTiO?的居里温度为120℃.

  凡是铁电体都有一个重要性质——压电效应，但具有压电效应特性的材料不一定具有铁电性质，如石英具有压电性质，但不是铁电体.所谓压电效应，是指∶当材料受到压缩或拉伸的机械力作用时，材料某些相对应的表面上会出现异性极化电荷，而且极化电荷的面电荷密度与机械应力成比例，应力反向时极化面电荷变号.压电效应中出现的极化电荷当然也会产生电场，并在出现异性极化面电荷的晶体表面之间会出现电压(电势差)，当压电晶体上加振动的机械作用时，就会产生同样频率的振动电场与电压.压电效应还有逆效应，即在压电晶体上加上电场时，晶体会发生伸长或压缩形变，这种逆效应称为电致伸缩效应.根据电致伸缩效应，当压电晶体上加上振动变化的电压讯号时，晶体会产生伸缩的机械振动.

  压电效应是1880年法国科学家J.居里和P.居里兄弟首先发现的，他们在对石英、电气石等晶体加压时发现了这一现象.随后又发现了酒石酸钾钠、锗酸铋(BinGeO2)等单晶体压电材料，以及钛酸钡、锆钛酸铅等陶瓷压电材料.1969年，又发现某些有机薄膜，如聚偏氟乙烯(PVF)等，具有良好的压电性.压电效应和电致伸缩效应在现代科学技术中有十分广泛的应用，这里作一点简单介绍.利用压电晶体的电致伸缩效应可以把电能转换成声能，制成各种电声换能器，如扬声器、耳机、蜂鸣器、超声波发生器等.在扫描隧道显微镜中，要求扫描的探头在样品表面上作一步一步的微小移动，每步移动间距只有100A到1000A，这种微小的步子就是靠一次次电致伸缩来完成的.利用压电效应可以制成压电晶体振荡器.将压电晶体按适当方向切成晶片，这种晶片具有由其尺寸大小决定的弹性固有振动频率，若在晶片两底面上装上可加外电压的电极，根据晶体片的固有振动频率和压电效应，可获得非常稳定的电振荡.利用石英晶体片做成的这种电振荡器，其频率的稳定度可达到10~13量级.这种频率稳定度极高的电振荡器，可以作为时间或频率的标准，广泛地使用于军事通信、精密电子设备、电子计算机、石英钟乃至原子钟内.利用压电晶体电振荡器和电感、电容元件，可以制成频段在1kHz到200MHz的压电滤波器而应用于各种无线电通讯和测量仪器中，利用压电效应的电能与机械能可以互换的原理，还可以做成压电变压器，目前做成的这种压电变压器升压比可大于300，输出功率可达50W以上，而输出电压可达几千伏.这种压电变压器由于体积小、升压比高，也广泛应用于电视显像管、雷达显示装置、小功率激光管等高压设备中.对压电晶体加一压力或一次撞击而引起的压电效应电压，现在能做到可以在空气中打出火花，由此可制成打火机、引爆装置及汽车里的点火装置.利用压电效应能把非电信号转换为电信号，从而可以进行放大、运算、记录和显示.可以把压电晶体做成各种压电传感器，如做成力敏传感器而应用于应变仪、血压计等.1940年以后，逐渐发现生物组织，如木材、骨骼、肌腱、血管和薄膜组织都具有压电性.实际上，生物体本身是一个复杂的压电系统，研究生物压电性对控制生物生长、弄清生物功能都具有重要的意义.