Большая Советская Энциклопедия (СЕ)
Шрифт:
Сегнерово колесо
Се'гнерово колесо', устройство, основанное на реактивном действии вытекающей воды. С. к. было изобретено венгерским учёным Я. А. Сегнером (J. A. Segner) в 1750 и явилось прообразом гидравлической турбины. С. к. состоит из вертикальной подводящей трубы, на которой укреплена свободно вращающаяся горизонтальная труба (рис.) с горизонтальными же отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами; через них жидкость вытекает, приводя С. к. во вращение. С. к. служит главным образом как демонстрационный прибор; применяется также для полива растений.
Схема сегнерова колеса.
Сегнетова соль
Сегне'това
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэле'ктрики, кристаллические диэлектрики, обладающие в определённом интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Электрические свойства С. во многом подобны магнитным свойствам ферромагнетиков (отсюда название ферроэлектрики, принятое в зарубежной литературе). К числу наиболее исследованных и используемых на практике С. относятся титанат бария, сегнетова соль (давшая название всей группе кристаллов), триглицинсульфат, дигидрофосфат калия и др. (см. табл.). Известно несколько сотен С.
Наличие спонтанной поляризации, т. е. электрического дипольного момента в отсутствии электрического поля, — отличительная особенность более широкого класса диэлектриков, называется пироэлектриками. В отличие от других пироэлектриков, монокристаллические С. «податливы» по отношению к внешним воздействиям: величина и направление спонтанной поляризации могут сравнительно легко изменяться под действием электрического поля, упругих напряжений, при изменении температуры. Это обусловливает большое разнообразие эффектов, наблюдающихся в С. Для других пироэлектриков изменение направления поляризации затруднено, т. к. требует радикальной перестройки структуры кристалла (рис. 1). Электрические поля, которые могли бы осуществить такую перестройку в пироэлектриках, существенно выше пробивных полей (см. Пробой диэлектриков). В отличие от других пироэлектриков, спонтанная поляризация С. связана с небольшими смещениями ионов по отношению к их положениям в неполяризованном кристалле (рис. 2).
Обычно С. не являются однородно поляризованными, а состоят из доменов (рис. 3) — областей с различными направлениями спонтанной поляризации, так что при отсутствии внешних воздействий суммарный электрический дипольный момент P образца практически равен нулю. Рис. 4 поясняет причину образования доменов в идеальном кристалле. Электрическое поле, созданное спонтанной поляризацией одной части образца, воздействует на поляризацию другой части так, что энергетически выгоднее противоположная поляризация этих двух частей. Равновесная доменная структура С. определяется балансом между уменьшением энергии электростатического взаимодействия доменов при разбиении кристалла на домены и увеличением энергии от образования новых доменных границ, обладающих избыточной энергией. Число различных доменов и взаимная ориентация спонтанной поляризации в них определяются симметрией кристалла. Конфигурация доменов зависит от размеров и формы образца, на неё влияет характер распределения по образцу дефектов в кристаллах, внутренних напряжений и др. неоднородностей, неизбежно присутствующих в реальных кристаллах.
Наличие доменов существенно сказывается на свойствах С. Под действием электрического поля доменные границы смещаются так, что объёмы доменов, поляризованных по полю, увеличиваются за счёт объёмов доменов, поляризованных против поля. Доменные границы обычно «закреплены» на дефектах и неоднородностях в кристалле, и необходимы электрического поля достаточной величины, чтобы их перемещать по образцу. В сильном поле образец целиком поляризуется по полю — становится однодомённым. После выключения поля в течение длительного времени образец остаётся поляризованным. Необходимо
Сильное изменение поляризации образца под действием электрического поля за счёт смещения доменных границ обусловливает тот факт, что диэлектрическая проницаемость e многодом'eнного С. больше, чем однодомённого. Значение e тем больше, чем слабее закреплены доменные границы на дефектах и на поверхности кристалла. Величина e в С. существенно зависит от напряжённости электрического поля, т. е. С. обладают нелинейными свойствами.
Характеристики некоторых сегнетоэлектриков
| Кристалл | Формула | Точка Кюри Tc, °С | Максимальная спонтанная поляризация Ps, мккxсм– 2 | Точечные группы симметрии* | |
| неполяр- ная фаза | полярная фаза | ||||
| Титанат бария Сегнетова соль Триглицинсульфат Дигидрофосфат калия Дидейтерофосфат калия Фторбериллат аммония Молибдат гадолиния Ниобат лития Титанат висмута | BaTiO3 KNaC4H4O6x4Н2О (NH2CH2COOH)3xH2SO4 KH2PO4 KD2PO4 (NH4)2BeF4 Cd2(MoO4)3 LiNbO3 Bi4Ti3O12 | 133 —18; 24 49 —150 —51 —97 159 1210 675 | 25 0,25 2,8 5,1 6,1 0,15 0,18 50 — | m3m 222 2m 42m 42mmmm 42m 3m 4/mmm | 4mm 2 2 mm2 mm2 mm2 mm2 3mm |
* Обозначения групп симметрии см. в ст. Симметрия кристаллов.
При нагревании С. спонтанная поляризация, как правило, исчезает при определённой температуре Тс, называется точкой Кюри, т. е. происходит фазовый переход С. из состояния со спонтанной поляризацией (полярная фаза) в состояние, в котором спонтанная поляризация отсутствует (неполярная фаза). Фазовый переход в С. состоит в перестройке структуры кристалла (в отличие от магнетиков). В разных С. Тс сильно различаются (см. табл.).
Величина спонтанной поляризации Psобычно сильно изменяется с температурой вблизи фазового перехода. Она исчезает в самой точке Кюри Тс либо скачком (фазовый переход 1-го рода, например в титанате бария), либо плавно уменьшаясь (фазовый переход 2-го рода, например в сегнетовой соли). Существенную температурную зависимость, как в полярной, так и в неполярной фазах, испытывает диэлектрическую проницаемость e, а также некоторые из упругих, пьезоэлектрических и др. констант С. Резкий рост e с приближением к точке Кюри (рис. 5) связан с увеличением «податливости» кристалла по отношению к изменению поляризации, т. е. к тем смещениям ионов, которые приводят к изменению структуры при фазовом переходе.