Номер 1, страница 276 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Что такое сегнетоэлектрики и где их применяют?

1. Что такое сегнетоэлектрики и где их применяют?

Сегнетоэлектрики — это класс диэлектрических материалов, обладающих в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризацией $P_s$. Это означает, что даже в отсутствие внешнего электрического поля в материале существуют области (домены) с упорядоченными электрическими диполями, создающими макроскопический дипольный момент.

Ключевой особенностью сегнетоэлектриков является возможность изменять направление этой спонтанной поляризации под действием внешнего электрического поля. Эта зависимость поляризации от поля нелинейна и описывается петлёй диэлектрического гистерезиса, что аналогично поведению ферромагнетиков в магнитном поле (отсюда и аналогия в названии). Название же всему классу материалов дала сегнетова соль (тартрат натрия-калия), у которой эти свойства были впервые обнаружены.

Сегнетоэлектрические свойства проявляются только ниже определённой температуры, называемой точкой Кюри ($T_C$). Выше этой температуры спонтанная поляризация исчезает, и материал переходит в параэлектрическое состояние, ведя себя как обычный диэлектрик. Большинство сегнетоэлектриков также являются пьезоэлектриками (деформируются под действием поля и генерируют напряжение при деформации) и пироэлектриками (генерируют напряжение при изменении температуры).

Применение сегнетоэлектриков очень разнообразно и основано на их уникальных свойствах:
• Высокая диэлектрическая проницаемость: Сегнетоэлектрики, такие как титанат бария ($BaTiO_3$), используются для создания малогабаритных керамических конденсаторов большой ёмкости. Они являются основой многослойных керамических конденсаторов (MLCC), которые широко применяются во всей современной электронике (в смартфонах, компьютерах, блоках питания).
• Пьезоэлектрический эффект: Это свойство позволяет преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. На его основе создают:
- Датчики: датчики давления, акселерометры, микрофоны, гидрофоны, ультразвуковые преобразователи для медицинской диагностики (УЗИ) и неразрушающего контроля.
- Исполнительные устройства (актуаторы): прецизионные позиционеры (например, в сканирующих туннельных микроскопах), пьезоэлектрические форсунки для двигателей, головки струйных принтеров.
- Генераторы высокого напряжения: пьезозажигалки для газовых плит и зажигалок.
- Резонаторы и фильтры: компоненты для радиочастотных и телекоммуникационных устройств.
• Пироэлектрический эффект: На этом эффекте основана работа датчиков инфракрасного (теплового) излучения. Они применяются в датчиках движения, системах охранной сигнализации, тепловизорах и приборах ночного видения.
• Эффект гистерезиса (памяти): Способность сохранять поляризацию после снятия поля используется для создания энергонезависимой памяти — FeRAM (Ferroelectric RAM). Такая память отличается высоким быстродействием, низким энергопотреблением и огромным ресурсом циклов перезаписи по сравнению с Flash-памятью.
• Электрооптический эффект: Некоторые сегнетоэлектрики изменяют свои оптические свойства (например, показатель преломления) под действием электрического поля. Это свойство используется в оптических модуляторах, затворах и других элементах оптоэлектроники и фотоники.

Ответ:
Сегнетоэлектрики — это диэлектрики, которые обладают спонтанной электрической поляризацией, направление которой можно изменять внешним электрическим полем. Это свойство существует ниже определённой температуры (точки Кюри). Благодаря своим уникальным свойствам (пьезоэффект, пироэффект, высокая диэлектрическая проницаемость) они нашли широкое применение.
Их применяют для производства:
- высокоёмкостных керамических конденсаторов;
- пьезоэлектрических датчиков (давления, ускорения), излучателей (УЗИ-аппараты) и исполнительных устройств (пьезофорсунки, головки принтеров);
- инфракрасных датчиков (датчики движения, тепловизоры);
- энергонезависимой памяти FeRAM;
- оптических модуляторов и затворов.