Фазалық ауысу

Критикалық Кюри нүктесіне  жақын екінші текті фазалық уысуда қарастырамыз. Мұнда реттелмеген фаза   h=0 болса, онда реттелген фаза келесі теңдеумен өрнектеледі.

             (1.23)    

Сондықтн да Кюри нүктесіне  жақын шекті мәнді аламыз.

C_p=

          (1.24)

Критикалық Кюри нүктесінде жақын бірінші текті фазалық ауысуды қарастырайық. Осы фазалық ауысуда реттік параметр секірмелі өзгереді. Параметрдің секірмелі өзгерісін салыстырғанда өте үлкен емес болса, онда Ландау теориясын қолдануға болады. Бұл шарт Кюри нүктесіне жақын бірінші текті фазалық ауысуларда орындалады.

 

ІІІ-тарау.    Сегнетоэлектриктердегі фазалық ауыслар.

 

Заттардың сыртқы өрісі  болмағанда өздігінен поляризациялана  алатын тобы бар. Бұл құбылыс алғаш  сегнет тұзы (KnaC₄H₄O₆X4H₂O) ашылғандықтан, осыған ұқсас барлық заттар сегнетоэлектриктер деп аталады. Сегнет тұзының электрлік қасиеттерін бірінші рет егжей-текжейін зерттегендер совет физиктері И.В.Курчатов пен П.П.Көбеко болды. Сегнетоэлектриктердің басқа диэлектриктерден айырмашылығы төмендегі бірнеше cипаттамалық ерекшелігінде:

1. Кәдімгі диэлектрліктерде e бірінші, ол айырықша жағдайда бірнеше ондаған /мысалы су үшін e=81/ бірілікті ғана құраса, сегнетоэлектриктердің диэлектрлік өтімділігінің мәні өтте үлкен мысалы, сегнет тұзыныкі e_max=10⁴
2. Диэлектрлік өрістің өріс кернеулігіне байланыстылығы сызықтық /сызықсыздық/ болып табылады. Демек, диэлектрлік өтімділік өріс кернеулігіне байланысты болады екен.
3. Өріс өзгерістерінде Р поляризация векторының мәндері Е өріс кернеулігінен кешігеді, соның нәтижесінде Р мен Д берілген мезеттегі Е-нің шамасымен ғана анықталмайды. Сондай-ақ Е-нің бұрынғы мәндерімен де анықталады, яғни диэлектриктердің алғы шарттарын байланысты болады. Бұл құбылыс гистерезис (грекше «гистерзис»- кешігу) деп аталады. Өрістің циклдік өзгерістерінде р-ның Е-ге байланыстылығы гистерезис тұзағы деп аталатын қисыққа сай өзгереді.

Сегнетоэлектиктердің  поляризасиялану тәртібі ферромагнетиктердің  магниттелу тәртібіне ұқсас. Осы  себептен сегнетоэлектриктерді кейде  ферроэлектриктер деп атайды. Кристалды  заттар оның ішіндегі симетрия центрі жоқтары ғана сегнетоэлектриктер бола алады. Сегнетоэлектрик кристалдағы бөлшектердің өзара әсерлері, олардың дипольдік моменттері спонтанды түрде бір-біріне параллель орналасатындай қалыпқа келтіріледі. Әдетте кристалл әрқайысының дипольдік  моменттері бір-біріне параллель болатын обылыстарға бөлнеді. Алайда әр түрлі обылыстардың поляризация бағыты түрліше, сондықтан түгел кристалдың қорытқы моменті нольге тең болуы мүмкін. Спонтанды поляризация обылыстары доменьдер деп аталады. Сыртқы өрістің әсерінен домендердің моменттері біртұтас сияқты өріс бағыты бойынша орналасып бұрылады. Әрбір сегнетоэлектриктердің температурасы болады, ол бұдан жоғары температурада зат өзінің ерекше қасиеттерін жоғалтып, парпллель диэлектрикке айналады. Бұл температура Кюри нүктесі деп аталады. Сегнет тұзының екі Кюри нүктесі бар :-15⁰ С және +22.5⁰ С, сонымен бірге ол тек көрсетілген мәндермен шектелген температуралық интервалда ғана сегнетоэлектрик қасиеттке ие болады.

Совет физигі Б.М.Вул мен  оның қызметтестері ашқан сегнетоэлектрик- барий метатинатының (BaTiO₂),  125⁰С-қа тең Кюри нүктесінің практикалық маңызы аса зор. Диэлектрик өтімділігі үлкен мәнге тең заттар Сегнетоэлектриктерге жатады. Олардың домен деп аталатын кішкене аймақтарында атомдардың электр моменттері белгілі бағытта электр өрісі жоқ кезде де реттелген болады. Электрлік өрісте сегнетоэлектриктердің домендері бағытын өзгертіп поляризациялануын және бір уақытта диэлектрлік өтімділігін өте өзгеше етеді.

Заттың сегнетоэлектрикалық  қасиеттері температураның белгілі бір аймағында ғана байқалады. Сондықтан заттың сегнетоэлектрлік күйін сегнетоэлектрлік фазамен немесе поляризациялық фазамен сәйкес деп санайды. Температура неғұрлым өскен сайын, сол ғұрлым жылу қозғалысының интенсивтілігі өседі, дипольдік моменттердің бағытталуы жойылады. Зат басқа күйге өтеді, басқа фазамен байланысты, яғни бұл фаза пароэлектрлік фаза деп аталады. Сегнетоэлектрикалық фазадан пароэлектрлік фазаға алмасады, басқа сөзбен айтқанда, реттелген фазадан реттелмеген фазаға өтеді. Осы ауысу сегнетоэлектрлік фазаға ауысу деп аталады, оның ауысу температурасы сегнетоэлектрикалық Кюри температурасына жатады. Осы фазалық ауысудың теориясын Ландау теориясына сүйеніп Совент ғалымы Гинзбург қарастырған. Қарапайым жағдайда бір доменнен тұратын сегнетоэлектриктерді қарастырайық. Бұл жерде реттік параметрдің сәйкес дипольдік моментін аламыз. Осы жағдайда реттік параметрдің орнына сегнетоэлектриктің бірілік көлеміндегі дипольдік моментін пайдаланған дұрыс.

    Сегнетоэлектрлік кристалдарда дипольдік момент сыртқы электр өрісінің қатысуымен де болады. Сегнетоэлектрикалық күйде барлық кристалдардың оң зарядтардың центрі теріс зарядтардың центріне сәйкес келмейді. Сегнетоэлектрик кристалдар деп электр өрісінің әсерінен спонтанды мамент өзінің бағытын өзгертуі. Сегнетоэлектриалық күй өту температурасында немесе Кюри нүктесінде жоғалады. Осы температурадан жоғары болғанда сегнетоэлектрик пароэлктрикалық күйге өтеді.

Сегнетоэлектрикалық кристалдарды 2 топқа бөлуге болады: реттелген және ығысқан. Фазалық ауысудың бірінші тобы реттелген иондармен, ал екінші тобы торда иондардың басқалардан ығысуымен байланысты. Сегнетоэлектриктердің бірінші тобында кристалдар стектік байланысқа қосылады, олардың сегнетоэлектрикалық қасиеттері протондар қозғалысымен, яғни сутегі иондарымен байланысты болады. Сегнетоэлектриктердің екінші тобында иондық кристалдар құрылымына байланысты болады. Сегнетоэлектриктердің екінші тобында иондық кристалдар құрылымына байланысты болады. Фазалық  ауысудың бірінші түрінде тұрақты қысымда сұйықтың буға өтуі, яғни судың қайнауы бірнеше текті фазалық ауысуда сегнетоэлектриктер температурда өту кезінде қаныққан поляризасияның секірмелі өзгерісінде сегнетоэлектрикалық және пароэлектрлік күйлер арқылы сипатталады. Ал екінші текті фазалық ауысуда ферромагниттік және паромагниттік күйлер арқылы өтеді. Сегнетоэлектрикалық кристалдарда энергия поляризация функциясы ретінде энергияның тығыздығы келесі қатарға жіктеледі.

     (2.24)

Мұндағы g_n –коэффицентті температураға туелді. Поляризация шамасы Р жылулық тепе-теңдікте функцияның минимумына сәйкес келеді. шаманың минимумы Гельмгольцтің еркін энергиясымен анықталады.

F(T,E) электр өрісінде тепе –теңдік  поляризацияда мына шарт орындалады:

       (2.25)

сегнетоэлектрикалық күйді алу  үшін g₂ коэффисентті P²  арқылы T₀ температурада нольге жақындайды

g₂=

    (2.26)

мұндағы -тұрақты, ал T₀ өту температурасына тең болуы мүмкін. Егер g₂ коэффисент аз және оң болса_, онда кристал торы    “жұмсақ” және орнықты емес. Егер g₂ коэффициент теріс болса, онда тордың поляризациялық емес күйі орнықты емес. Әрқайсысының электрлік дипольдік моменті, бағытталуы бірдей, ал көрші домендердің поляризация векторы әртүрлі бағытталған. Кристалдардың поляризация қосындысы поляризацияға қарама-қарсы бағытталған домендердің әртүрлі көлемдерімен анықталады. Егер бұл көлемдер бірдей болса, онда кристалл поляризасияланбаған болады. Араласу кезінде жаңа домендердің пайда болуынан кристалдың толық дипольдік моменті өзгереді. Домендер электр өрісінің кернеулігінің  өзгерісі кезінде өзінің формасы мен өлшемін өзгертеді. Сегнетоэлектриктерде домендердің қозғалысы жай ғана құбылыс емес.

 

 

 

 

 

                                                       Қорытынды

Қарастырған тақырыпта  сегнетоэлектрикалық кристалдарда, фазалық ауысулар заттың ішкі құрылысымен  байланыстырып Ландау-Гинзбург теориясы арқылы зерттелді. Сегнетоэлектрикалық  кристалдарда сыртқы электр өріссіз  кезде электрлік дипольдік момент бар, бүкіл кристалдың оң зарядтарының және теріс зарядтарының центірлері бір-біріне сәйкес емес. Электр өрісімен сегнетоэлектриктердің поляризациясының байланысы күрделі гистерезис деп аталатын қисық сызықпен анықталады. Белгілі Кюри нүктесі деп аталатын температурада кристалдардың сегнетоэлектрлік күйлері жоғалады. Кюри нүктесінен жоғары температурада сегнетоэлектрик қарапайым параэлектрлік күйге көшеді. Осы фазалық ауысуда температураны жоғарлатқанда диэлектрлік өтімділік тез төмендейді. Сегнетоэлектрикалық  кристалдарды негізгі екі топқа бөлуге болады. Бірінші тобында фазалық ауысу иондарының  реттеліп орналасуымен байланысты, ал екінші тобында әр түрлі иондар өзінің меншікті торын құрастырады, меншікті торлар бір - біріне қарағанда бір - бірімен ығысқан. Сегнетоэлектриктердің  бірінші тобы сутегі байлансы бар кристалдар кіреді, олардың сегнетоэлектрлік қасиеттері сутегі иондарының (протондардың) қозғалысымен байланысты.

Сегнетоэлектриктердің екінші тобына NaCl сияқты кристалдар жатады. Ландау фазалық ауысуларды заттың ішкі құрылысымен байланыстырады, Кюри нүктесі төмен температурада иондар реттеліп орналасқан, тор құрастырды. Кюри нүктесін жоғарғы температураларда иондардың реттеліп орналасуы бұзылады да, зат аморфты күйге көшеді. Гинзбург жалпы фазалық ауысуға арналған Ландау теориясын сегнетоэлектриктерге пайдаланып, олардың электрлік қасиеттері фазалық ауысуда қалай өзгеретінін зерттеген. Диэлектрик өтімділік фазалық ауысуда Кюри нүктесінде секірмелі түрде екі есеге өзгереді, Графигін Гинзбург «екісі» деп атайды. Спонтандық поляризациялануы Кюри нүтесінен төмен температурада парабола сызығына бағынып кемиді, Кюри нүктесінде нолге айналады. Барлық сегнетоэлектрикалық кристалдарда көлемді домен деп аталатын аймақтарда спонтандық поляризациясына құрастыратын электр дипольдік моменттер бірдей бағытталады, ол көрші домендерде поляризацияның бағытталуы әр түрлі. Кристалдың қорытынды поляризациясы әртүрлі домендердің поляризацияларының векторлық қосындысы деп саналады. Кристалдың толық диполдық моменті домендердің арасында қабырғаларының ығысуына немесе жаңа домендер пайда болғанда өзгерп отырады. Домендердің арасындағы қабырғалардың көлденең қалыңдығы 10^-4 – 10^-2см –ден басталып , тордың бір тұрақтысына жетуі мүмкін. Бұл құбылыс өте күрделі Ландау-Глизбург теориясы жеткілікті қарапайым түрде сегнетоэ смлектриктердің электрлік қасиеттерінің, фазалық ауысуындағы өзгерістерін қарастырады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пайдаланылған әдебиеттер.

1. С.Э.Фриш, А.В.Тиморева. Жалпы физика курсы. –Алматы: Мектеп, 1970жыл.
2. И.В.Савельев. Жалпы физика курсы. -Алматы: Мектеп, 1977ж.
3. Б.Н.Ролов. и В.Э.Юркевич. Лекции по термодинамике и статистике.- Рига, 1969г.
4. Ж.Абдулаев. Жалпы физика курсы. –Алматы: Ана тілі 1991ж.
5. Б.Арызханов. Жалпы физика курсы. -Алматы: Мектеп , 1988ж.
6. Н.Қойшыбаев. Молекулалық физика, -Алматы: Зият Пресс 2005 ж