在各向同性的电介质中,电极化强度和电介质中电场强度成正比[式(7-54)],电介质的电极化率和电容率都与电场强度无关。但是也存在一些电介质,它们的极化规律(和的关系)有着复杂的非线性关系,在一定的温度范围内,它们的电容率并不是常量,而是随电场强度变化的,并且在撤去外电场后,这些电介质会留有剩余的极化。为了和铁磁性物质(见§8-8)能保持磁化状态相类比,通常把这种性质叫做铁电性。具有铁电性的电介质则叫做铁电体,其中以钛酸钡陶瓷()、酒石酸钾钠单晶()等最为突出。
铁电体在电极化过程中显示出电滞现象。例如,钛酸钡在在温度高于
120℃时,电极化强度与电场强度成正比[图7-39(a)];温度低于
120℃时,的变化并不与成正比[图7-39(b)],的增长落后于的增长。当外电场足够强时,极化达到饱和(如图中)。此后,当减小时,也随着减小,但并不按原来的曲线关系而减小。当= 0时,电介质有剩余的极化(如图中所示)。当电场强度的大小和方向作周期性变化时,与的关系形成如图7-39(b)所示的回线ABCDA,称为电滞回线。铁电体的相对电容率并非常量,而是随外加电场的变化而变化的。从变化关系可观察到,在很宽的电场强度数值范围内有很高的值,最大可达到数千以上。
某些离子型晶体的电介质(如石英、电气石、酒石酸钾钠、钛酸钡、糖、闪锌矿等),由于结晶点阵的有规则分布,当发生机械变形(例如拉伸或压缩)时,也能产生电极化现象,称为压电现象。石英晶体在10N/cm2的压力下,在承受正压力的两个表面上会出现正负电荷,产生约0.5 V的电势差。压电现象有其逆现象,亦即在晶体带电时或在电场中时,晶体的大小将会伸长或缩短,这种逆现象称为电致伸缩。目前已知的压电体超过数千种,除前述的离子型晶体电介质外,非晶、聚合物材料以及在金属、半导体、铁磁体和生物体(如骨骼)中也发现有压电性,但电致伸缩所产生的线度变化都很微小。
还有一类物质,在外界条件撤销后,仍能长期保留其极化状态,它的电极化状态不受外电场的影响,这类物体叫做永电体(又称驻极体)。永电体也具有类似于永磁体的性质,把它分割后,每块永电体表面都同时出现并保持正负电荷。
在现代技术上,上述这些现象都有广泛的应用。 铁电体可以用作特殊的绝缘材料,也可以利用它的电容率随电压变化的特性,制成非线性的电容器,应用于振荡电路及介质放大器和倍频器中。 另外,铁电体还有奇特的光学性质,能在强光作用下产生非线性效应,在现代激光技术、全息照相中都有着广泛的应用。压电现象可以变机械振动为电振荡,在无线电技术上将压电石英制成稳定性很高的高频振荡器;电致伸缩可以变电振荡为机械振动,利用压电石英使交变电压的频率与石英片的固有频率发生机械共振而获得超声波。永电体换能器具有频率响应好敏度高等优点,在麦克风、耳机、超声全息技术、放射性检测、静电式空气过滤等方面也都有广泛的应用。目前对电介质各种现象形成机理与应用技术的研究正方兴未艾,形成了独立的“电介质物理学”,成为材料科学的理论基础之一。 |