Dielektryki o szczególnych właściwościach — ferroelektryki i elektryczność

Dielektryki w zwykłym znaczeniu tego słowa to substancje, które uzyskują moment elektryczny pod działaniem zewnętrznego pola elektrostatycznego. Wśród dielektryków są jednak takie, które wykazują zupełnie niezwykłe właściwości. Te dielektryki o specjalnych właściwościach obejmują ferroelektryki i dielektryki. Zostaną one omówione dalej.

Ferroelektryki

Spontaniczna lub spontaniczna polaryzacja materii została po raz pierwszy odkryta w 1920 roku w kryształach soli Rochelle, a później w innych kryształach. Jednak na cześć soli Rochelle, pierwszego otwartego dielektryka wykazującego tę właściwość, całą grupę takich substancji zaczęto nazywać ferroelektrykami lub ferroelektrykami. W latach 1930-1934 przeprowadzono szczegółowe badanie spontanicznej polaryzacji dielektryków na Wydziale Fizyki Leningradu pod kierownictwem Igora Wasiljewicza Kurczatowa.

Okazało się, że wszystkie ferroelektryki początkowo wykazują wyraźną anizotropię właściwości ferroelektrycznych, a polaryzację można zaobserwować tylko wzdłuż jednej z osi kryształu.Dielektryki izotropowe mają tę samą polaryzację dla wszystkich swoich cząsteczek, podczas gdy dla substancji anizotropowych wektory polaryzacji są różne w różnych kierunkach. Obecnie odkryto setki ferroelektryków.

Ferroelektryki wyróżniają się następującymi specjalnymi właściwościami. Ich stała dielektryczna e w pewnym zakresie temperatur mieści się w przedziale od 1000 do 10000 i zmienia się w zależności od natężenia przyłożonego pola elektrostatycznego, a także zmienia się nieliniowo. Jest to przejaw tzw Histereza dielektryka, można nawet wykreślić krzywą polaryzacji ferroelektryka — krzywą histerezy.

Krzywa histerezy ferroelektryka jest podobna do pętli histerezy ferromagnesu w polu magnetycznym. Jest tu punkt nasycenia, ale widać też, że nawet przy braku zewnętrznego pola elektrycznego, gdy jest ono równe zeru, obserwuje się w krysztale pewną polaryzację szczątkową, aby wyeliminować, którą musiałaby być skierowana przeciwnie siła koercji zastosowana do próbki.

Ferroelektryki charakteryzują się również wewnętrznym punktem Curie, to znaczy temperaturą, w której ferroelektryk zaczyna tracić swoją resztkową polaryzację, gdy zachodzi przemiana fazowa drugiego rzędu. Dla soli Rochelle temperatura punktu Curie mieści się w zakresie od +18 do +24ºC.

Przyczyną występowania właściwości ferroelektrycznych w dielektryku jest samorzutna polaryzacja wynikająca z silnego oddziaływania między cząsteczkami substancji. Substancja dąży do jak najmniejszej energii potencjalnej, podczas gdy ze względu na obecność tzw. defektów strukturalnych kryształ i tak dzieli się na regiony.

W rezultacie, gdy nie ma zewnętrznego pola elektrycznego, całkowity pęd elektryczny kryształu wynosi zero, a gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, obszary te mają tendencję do orientowania się wzdłuż niego. Ferroelektryki są stosowane w urządzeniach inżynierii radiowej, takich jak variconds — kondensatory o zmiennej pojemności.

Elektrety

Dielektryki nazywane są dielektrykami, które mogą utrzymywać stan spolaryzowany przez długi czas, nawet po wyłączeniu zewnętrznego pola elektrostatycznego, które spowodowało polaryzację. Początkowo cząsteczki dielektryka mają stałe momenty dipolowe.

Ale jeśli taki dielektryk zostanie stopiony, a następnie podczas topienia zostanie przyłożone silne stałe pole elektrostatyczne, znaczna część cząsteczek stopionej substancji zostanie zorientowana zgodnie z przyłożonym polem.Teraz stopiona substancja musi zostać schłodzona, aż całkowicie zestali się , ale pole elektrostatyczne może działać, dopóki substancja nie stwardnieje. Gdy stopiona substancja całkowicie ostygnie, pole można wyłączyć.

Rotacja cząsteczek w substancji zestalonej po tej procedurze będzie utrudniona, co oznacza, że ​​cząsteczki zachowają swoją orientację. Tak powstają elektrycy, zdolni do utrzymania stanu spolaryzowanego od kilku dni do wielu lat. Po raz pierwszy elektret (termoelektret) został wykonany w podobny sposób z wosku karnauba i kalafonii przez japońskiego fizyka Yoguchi, stało się to w 1922 roku.

Resztkową polaryzację dielektryka można uzyskać orientując quasi-dipole w kryształach poprzez migrację naładowanych cząstek do elektrod lub np. wstrzykując naładowane cząstki z elektrod lub szczelin międzyelektrodowych do dielektryka podczas polaryzacji. Nośniki ładunku można wprowadzać do próbki sztucznie, na przykład przez napromieniowanie wiązką elektronów. Z biegiem czasu stopień polaryzacji elektretu maleje na skutek procesów relaksacji i ruchu nośników ładunku pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego elektretu.

Zasadniczo każdy dielektryk można przekształcić w stan elektretowy. Najbardziej stabilne elektrety otrzymuje się z żywic i wosków, z polimerów i dielektryków nieorganicznych o strukturze polikrystalicznej lub monokrystalicznej, ze szkieł, sit itp.

Aby dielektryk był stabilnym elektretem, należy go podgrzać do temperatury topnienia w silnym polu elektrostatycznym, a następnie schłodzić bez wyłączania pola (takie elektrety nazywane są termoelektretami).

Możesz oświetlić próbkę silnym polem elektrycznym, wytwarzając w ten sposób fotoelektrykę. Lub napromieniować efektami radioaktywnymi — radioelektrykami. Po prostu umieść go w bardzo silnym polu elektrostatycznym - otrzymasz elektrolektret. Lub w polu magnetycznym — magnetoelektret. Zestalanie roztworu organicznego w polu elektrycznym to krioelektret.

Elektrety metanolowe otrzymuje się przez mechaniczne odkształcenie polimeru. Poprzez tarcie - tryboelektryka. Elektrety koronowe znajdują się w polu działania wyładowań koronowych. Stabilny ładunek powierzchniowy uzyskiwany na elektrecie jest rzędu 0,00000001 C/cm2.

Elektrety różnego pochodzenia są wykorzystywane jako źródła stałego pola elektrostatycznego w czujnikach drgań, mikrofonach, generatorach sygnału, elektrometrach, woltomierzach itp. Doskonale sprawdzają się jako czułe elementy w dozymetrach, urządzeniach pamięciowych. Jako urządzenia ogniskujące w filtrach gazowych, barometrach i higrometrach. W szczególności fotoelektrety są wykorzystywane w elektrofotografii.