مواد فروالکتریک: آنچه هستند

چه چیزی فروالکتریک می‌باشد؟

فروالکتریک موادی هستند که فروالکتریسیته را نشان می‌دهند. فروالکتریسیته توانایی ماده در داشتن قطبش الکتریکی خودبه‌خودی است. این قطبش با اعمال یک میدان الکتریکی در جهت مخالف (شکل 1 زیر) قابل معکوس شدن است. فروالکتریسیته (و بنابراین فروالکتریک مواد) توسط والاسک در سال 1921 با استفاده از نمک روچل کشف شد.

معکوس کردن قطبیت یک ماده فروالکتریک با استفاده از یک میدان الکتریکی خارجی به «سوئیچینگ» معروف است.

فروالکتریک مواد قادر به حفظ قطبش حتی پس از حذف میدان الکتریکی هستند. فروالکتریک مواد شباهت‌هایی با فرومغناطیس مواد که گشتاور مغناطیسی دائمی را نشان می‌دهند، دارند. حلقه هیستریسیس برای هر دو ماده تقریباً یکسان است.

از آنجا که شباهت‌ها وجود دارد، پیشوند برای هر دو ماده یکسان است. اما تمام مواد فروالکتریک لزوماً نباید آهن (فرو) داشته باشند.

تمام فروالکتریک مواد اثر پیزوالکتریک را نشان می‌دهند. خواص متضاد این مواد در مواد ضدفرومغناطیسی مشاهده می‌شود.

نظریه فروالکتریک مواد

انرژی آزاد یک ماده فروالکتریک بر اساس نظریه گینبورگ-لانداو بدون میدان الکتریکی و هرگونه تنش اعمالی می‌تواند به صورت بسط تیلور نوشته شود. این انرژی آزاد به صورت P (پارامتر مرتب) نوشته می‌شود:

(اگر از بسط ششمین‌مرتبه استفاده شود)
Px → مؤلفه بردار قطبش، x
Py → مؤلفه بردار قطبش، y
Pz → مؤلفه بردار قطبش، z
αi, αij, αijk → ضرایب باید ثابت با تقارن بلوری باشند.
α0 > 0, α111> 0 → برای تمام فروالکتریک‌ها
α11< 0 → فروالکتریک‌ها با انتقال مرتبه اول
α0 > 0 → فروالکتریک‌ها با انتقال مرتبه دوم

برای بررسی پدیده‌های مختلف و تشکیل دامنه در فروالکتریک‌ها، این معادلات در مدل فیزیکی فاز استفاده می‌شوند.

معمولاً، با اضافه کردن برخی اصطلاحات مانند یک اصطلاح الاستیک، یک اصطلاح گرادیان و یک اصطلاح الکترواستاتیک به این معادله انرژی آزاد استفاده می‌شود.

با استفاده از روش تفاضل محدود، معادلات با توجه به محدودیت‌های الاستیسیته خطی و قانون گاوس حل می‌شوند.

انتقال فاز مکعبی به تتراغونی از قطبش خودبه‌خودی یک فروالکتریک می‌تواند از عبارت انرژی آزاد به دست آید.

این یک ویژگی پتانسیل دو چاهی با دو مینیمم انرژی در P = ± Ps. دارد.
Ps → قطبش خودبه‌خودی

با ساده‌سازی، حذف ریشه منفی و جایگزینی α11 = 0 بدست می‌آید:

قطبش و حلقه هیستریسیس

ابتدا یک ماده دی‌الکتریک را در نظر می‌گیریم و یک میدان الکتریکی محیطی به آن اعمال می‌شود. می‌توانیم ببینیم که قطبش همیشه مستقیماً متناسب با میدان اعمال شده است، که در شکل 2 نشان داده شده است.

سپس، وقتی یک ماده پارالکتریک را قطبی می‌کنیم، یک قطبش غیرخطی به دست می‌آید. با این حال، این یک تابع از میدان است، مانند شکل 3.

سپس یک ماده فروالکتریک را در نظر می‌گیریم و یک میدان الکتریکی به آن اعمال می‌شود. یک قطبش غیرخطی به دست می‌آید.

این ماده همچنین قطبش خودبه‌خودی غیرصفر بدون میدان محیطی نیز نشان می‌دهد.

همچنین می‌توانیم ببینیم که با معکوس کردن جهت میدان الکتریکی اعمال شده، جهت قطبش می‌تواند معکوس یا تغییر کند.

بنابراین می‌توانیم بگوییم که قطبش به شرایط فعلی و قبلی میدان الکتریکی بستگی دارد. حلقه ه