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ferroelektrische Umwandlung

Festkörperphysik, die Deformation des Gitters in Ferroelektrika unterhalb der Übergangstemperatur TC (Curie-Temperatur), die einige für das Phänomen der Ferroelektrizität typische Erscheinungen hervorruft. Prinzipiell unterscheidet man Gitterdeformationen, die auf Umordnungen einzelner Ionen beruhen (»Ordnung-Unordnungs-Ferroelektrika«), und solche, die von der Verschiebung eines ganzen Untergitters aus Ionen einer Sorte relativ zu einem anderen Untergitter herrühren (»Verschiebungs-Ferroelektrika«).

Bei einigen Ferroelektrika (z.B. Bariumtitanat) treten unter dem Einfluss eines äusseren elektrischen Feldes weitere Kristallumwandlungen auf, wenn die Temperatur weiter abgesenkt wird (Abb. 1). Makroskopisch kommt es bei BaTiO3 zu einer elastischen Verlängerung der Elementarzelle in Polarisationsrichtung um 1 % (Abb. 2).

ferroelektrische Umwandlung

ferroelektrische Umwandlung 1: Relative Lagen der polaren Achsen (dicker Pfeil) in den verschiedenen Phasen von Bariumtitanat-Eindomänenkristallen in Bezug auf die kubischen Achsen. Für die einzelnen Gitter gilt: Kubisches Gitter (T >TC > 120 °C): Oberhalb TC ist BaTiO3 paraelektrisch und hat eine kubische Elementarzelle. Es verhält sich wie ein normales Dielektrikum mit Orientierungspolarisation. Tetragonales Gitter (-5 bzw. +5 °C < T < 120 °C bei Temperaturerniedrigung bzw. -erhöhung): Liegt das elektrische Feld in der skizzierten Weise an, sind zwei Einstellungsmöglichkeiten der Polarisation vorhanden: Die a-Domäne, in der die tetragonale a-Achse parallel zum E-Feld liegt, und die c-Domäne, in der die tetragonale c-Achse parallel zum E-Feld liegt. Die relativen Dielektrizitätskonstanten ea und ec unterscheiden sich stark. Orthorhombisches Gitter (-90 bzw. -80 °C < T < -5 °C bei Temperaturerniedrigung bzw. -erhöhung): In dieser ferroelektrischen Phase liegt die polare Achse in der Flächendiagonalen der Elementarzelle. Es existieren drei Einstellungsmöglichkeiten der Polarisation. Rhomboedrisches Kristallgitter (T < -90 °C): Die polare Achse liegt in der Raumdiagonalen. In dieser Modifikation existiert nur eine mögliche Konfiguration der Zuordnung zwischen Polarisationsrichtung und Kristallachsen.

ferroelektrische Umwandlung

ferroelektrische Umwandlung 2: Nach Abkühlung unter die Curie-Temperatur kommt es bei BaTiO3 zu einer elastischen Verlängerung der Elementarzelle in Polarisationsrichtung (Übergang von Teilbild a zum Teilbild b).

 

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