Сегнетоэлектрики – это класс материалов, которые обладают уникальным свойством – они могут спонтанно поляризоваться в отсутствие внешнего электрического поля. Это означает, что заряды внутри сегнетоэлектрика смещаются и формируются дипольные моменты без внешнего воздействия. Однако, особенное внимание ученых привлек процесс поляризации именно этих материалов. Интересно, что при изменении направления поляризации в сегнетоэлектриках наблюдается эффект гистерезиса.
Термин «гистерезис» происходит от греческого слова «гистересис», что означает «запаздывание», «отставание». В физике гистерезис используется для описания отклонения материала от прямолинейной зависимости между возбуждающим и результирующим параметрами. Процесс поляризации сегнетоэлектриков является именно таким запаздывающим явлением.
Изменение поляризации в сегнетоэлектриках требует применения достаточно большого электрического поля. Однако, интересно то, что после устранения этого поля моменты остаются зафиксированными внутри материала. Для изменения поляризации в противоположное направление потребуется применить электрическое поле противоположной полярности с большой интенсивностью. Это явление и назвали гистерезисом. Гистерезис сегнетоэлектриков объясняется наличием энергетических барьеров, которые препятствуют быстрому изменению поляризации.
Происхождение термина "гистерезис"
Термин "гистерезис" введен в науку учеными Шарлем-Эдуаром Гюи и Владимиром Хартманном в середине XIX века и происходит от греческого слова "гистересис", что означает "оставаться позади" или "задерживаться".
Гистерезис – это явление накопления энергии в системе при изменении внешних условий и сохранении этой энергии даже после возвращения системы к исходному состоянию. В случае поляризации сегнетоэлектриков, гистерезис описывает процесс изменения электрической поляризации в зависимости от напряжения, приложенного к материалу.
Термин "гистерезис" стал употребляться в науке и технике для обозначения таких процессов, где текущее значение зависит не только от текущего значения воздействующей переменной, но и от предыдущих значений. В случае с поляризацией сегнетоэлектриков, гистерезис описывает зависимость напряжения от электрической поляризации в материале – при изменении напряжения электрическая поляризация может изменяться, однако, даже при исчезновении напряжения, система будет сохранять полученную электрическую поляризацию.
Поляризация и электрический заряд
При приложении электрического поля к сегнетоэлектрическому материалу происходит его деформация, атомы или молекулы материала смещаются относительно своих равновесных положений. В результате такого смещения возникает положительный заряд на одной стороне смещенных атомов или молекул и отрицательный заряд на другой стороне. Это явление называется поляризацией.
Заряд, возникающий в результате поляризации, может быть как временным, так и постоянным. Временный заряд возникает только при воздействии электрического поля на материал и исчезает после прекращения этого воздействия. Постоянный заряд сохраняется и не исчезает после прекращения электрического поля.
Гистерезис - это явление, при котором изменение значения поляризации за один полный цикл изменения внешнего электрического поля не является однозначным и зависит от предыдущего состояния материала. То есть для одного и того же значения внешнего поля может существовать несколько значений поляризации. Название "гистерезис" происходит от сходства с явлением гистерезиса в ферромагнетиках, когда изменение магнитной индукции не является линейным относительно магнитного поля.
Гистерезис поляризации сегнетоэлектриков обусловлен сложной структурой их поляризационных доменов, которые могут быть разной формы и размера. При изменении внешнего электрического поля эти домены перестраиваются, что приводит к изменению поляризации.
Понимание принципов и механизмов поляризации и гистерезиса сегнетоэлектриков имеет важное значение для разработки новых технологий и материалов, включая сегнетоэлектрические память и электронные устройства.
Открытие явления гистерезиса в сегнетоэлектриках
Это явление было открыто в 1929 году физиками Джеймсом Керрилом и Робертом Брауном, которые заметили, что кристалл дихлорида хлористого стибия (SbCl3) при нагревании и охлаждении проявляет неоднозначное поведение. Они обнаружили, что при изменении температуры кристалл чередовал между двумя состояниями: спонтанной поляризацией в одном направлении и ее отсутствием в другом направлении.
Этот циклический процесс, основанный на изменении температуры, был назван гистерезисом – из греческого "гистерезис" означающего "оставаться позади". Термин "гистерезис" был впервые введен физиком и инженером Александром де Кварталяном в 1892 году для описания аналогичного явления в области магнитизма.
Обнаружение явления гистерезиса в сегнетоэлектрических материалах было значимым открытием, так как открытия нового класса материалов с такими свойствами могли привести к развитию новых технологий и применений. Сегнетоэлектрики сегодня широко используются в различных областях, включая электронику, ультразвуковую технику, пьезоэлектрику и фотонику.
