close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Термоактивационный механизм релаксации механоэлектрических эффектов при деформировании твердых диэлектриков (горных пород).

код для вставкиСкачать
Вестник ТГУ, т.15, вып.3, 2010
УДК 539.3
ТЕРМОАКТИВАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ РЕЛАКСАЦИИ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЭФФЕКТОВ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ (ГОРНЫХ ПОРОД)
© Х.Ф. Махмудов
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург, Россия,
е-mail: h.machmoudov@mail.ioffe.ru
Ключевые слова: поляризация; электрическое поле; релаксация; энергии активации.
Проведены эксперименты при различных температурах из стекол и мрамора, не обладающих пьезоэффектом.
Предложен механизм релаксации индуцированного потенциала, и сделана оценка энергии активации этого процесса.
Индуцированным принято считать процесс перехода системы из неравновесного в равновесное состояние. Так как движущей силой этого процесса является
разница между этими состояниями, то скорость процесса по мере приближения к равновесному состоянию
уменьшается. Для нашего случая можно написать
ϕt = ϕ 0 ⋅ exp −t / τ (1). Где φt – текущее значение измеряемого потенциала (в различные моменты времени t),
φ0 – начальное значение φt, т. е. в момент приложения
нагрузки, приложения разности потенциалов. Величина
τ характеризует скорость протекания процесса релаксации и численно определяется временем, в течение
которого отклонение системы от равновесного состояния уменьшается по сравнению с начальным состоянием в «е» раз. Эта величина τ называется временем релаксации. Поэтому параметр τ является важным физическим параметром, количественная оценка которого
позволяет охарактеризовать протекающие при релаксации процессы. Поскольку для τ можно записать
обычное
термоактивационное
уравнение
τ = τ 0 ⋅ exp E / kT , которое характеризует скорость протекания процесса релаксации, где E – энергия активации процесса релаксации, T – абсолютная температура,
kT – средняя кинетическая энергия теплового движения, приходящая на 1 атом, или R – на грамм-моль
вещества. Энергия активации процесса релаксации
является важнейшей энергетической характеристикой
этого процесса на атомном уровне. Поэтому ее оценка
представляет большой интерес. Ее величину можно
получить, если измерить релаксационные зависимости
при разных температурах, т. е. получить зависимость
времени релаксации τ от температуры. В связи с этим
были проведены эксперименты по механической и
электрической поляризации при различных температурах. Образец помещался в термостат и выдерживался в
нем при заданной температуре ~ 1 час для надежного
прогрева всего объема образца. Затем образец вынимался, и проводились измерения. Поскольку для испытаний при механическом нагружении требуется большее время, чем при электрическом, основные количественные измерения были проведены для электрической поляризации. При механическом нагружении были проведены контрольные измерения. На рис. 1 показаны для сравнения релаксационные зависимости в
нормированных координатах, полученные при комнатной температуре при 200 °C.
963
Вестник ТГУ, т.15, вып.3, 2010
Таблица 1
Зависимость времени релаксации τ от температуры
Т, °С
20
60
100
140
180
200
τ1, расч
35
18,8
17,8
13,6
13
10,9
τ2, граф
18
12
11
7,7
8
7
τср = τ1 + τ2/2
26
15,1
14,4
10,3
10,8
8,95
Можно видеть, что действительно при увеличении
температуры происходит заметное уменьшение времени релаксации, что качественно согласуется с уравнением (2). Надо отметить, что разброс был достаточно
велик. Поэтому для каждой температуры релаксационные зависимости измерялись для образцов. Кроме того,
оценка τ производилась двумя способами. В одном
случае графически оценивалось время τ2 (рис. 2), когда
амплитуда сигнала уменьшалась в «е» раз. В другом
случае – расчетным способом τ1расч в компьютер заносились значения φ/φmax и, считая, что экспериментальная зависимость подчиняется уравнению (1), оценивали характерное время релаксации.
В табл. 1 приведены оба значения τ и их среднее
значение. После этого вычислялись 1/RT и строилась
зависимость lnτ, 1/RT. Она показана на рис. 2. Точки
ложатся вдоль прямой линии, что свидетельствует о
том, что релаксация действительно может быть описана термоактивационным уравнением аррениусовского
типа (2). И самое важное – энергия активации, вычисленная из наклона зависимости, оказалась низкой
E = 1,6–1,7 ккал/моль, или 0,1 эВ.
Экспериментальные результаты, приведенные в
этой статье, свидетельствуют, прежде всего, об общности явления поляризации твердых диэлектриков
(пьезоэлектриков) в механическом поле. Более того,
поляризация в электрическом поле качественно подобна механической поляризации. Что касается релаксации поляризации, то можно утверждать о единой природе релаксации при электрической и механической
поляризации [1]. Однако необходимо, прежде всего,
разделить два различных явления, и можно высказать
гипотезу, что по своей природе механическая поляризация близка электрической поляризации [2]. При
электрической поляризации основной вклад в нее дает
ориентация в электрическом поле диполей. Что касается стекол, то в них можно конкретно указать диполи,
которые в электрическом поле будут ориентироваться
и создавать внутреннее электрическое поле. Реальная
стеклообразная структура всегда имеет примесные
964
атомы, входящие в сетку стекла. А в стекле К-8 катионы Na, К и др. входят в сетку стекла как составляющие.
Они создают полярные группы или диполи [3]. В мраморе картина в этом отношении близкая. Имеются полярные группы, и кроме этого имеется большое количество примесей с полярными группами, в т. ч. связанная вода.
Поэтому нет особого смысла рассматривать механизм поляризации на каких-то конкретных полярных
группах. Можно принять, что как в стеклах, так и в
мраморе (и других горных породах) [4, 5] полярные
группы имеются, и они определяют их поляризацию.
Что касается электрической поляризации, то больших
вопросов нет. Диполи ориентируются внешним электрическим полем и создают свое внутреннее электрическое поле. Более трудно объяснить механическую
поляризацию. Безусловно, модель поляризации в механическом поле требует серьезных теоретических разработок. Но уже сейчас можно сделать некоторые выводы.
1. Поляризация в механическом поле пропорциональна градиенту механического поля и является упругой по своему характеру, т. е. следует за нагрузкой
(деформацией) без запоздания.
2. Релаксация механической и электрической поляризации происходит за счет слабосвязанных примесных ионов и является термоактивированным процессом.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
Fateev E.G. Papers of 10th international Conference on the Physics and
Chemistry of lice. St. Johns, Newfoundland, 2002. V. 14. Canada.
Махмудов Х.Ф. Куксенко В.С. // ФТТ. 2005. Т. 47. № 5. С. 857.
Миржамолов К. Автореферат. Л., 1991.
Соболев Г.А., Демин В.М. Механоэлектрические явления в Земле.
М.: Наука, 1980.
Журков С.Н., Куксенко В.С., Махмудов Х.Ф., Панамарев А.В. //
Докл. РАН. 1997. Т. 35. № 4. С. 470-472.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 09-05-00639, и ФЦП, госконтракт
№ 02.740.11.0315.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Makhmudov Kh.F. The thermoactivation mechanism of the
relaxation mechanical and electrical effects during deformation
solid dielectrics (rocks).
Experiments were conducted at various temperatures on samples of glass and marble, which don’t obtain non-piezoelectric
effect. The mechanism of relaxation induced by the building is
offered and the activation energy of this process is estimated.
Key words: polarization; electric field; relaxation; activation
energy.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа