Dielektrici s posebnim svojstvima — feroelektrici i elektrici

Dielektrici u uobičajenom smislu riječi su tvari koje pod djelovanjem vanjskog elektrostatskog polja poprimaju električni moment. Među dielektricima, međutim, ima i onih koji pokazuju posve neobična svojstva. Ovi dielektrici s posebnim svojstvima uključuju feroelektrike i dielektrike. O njima će se dalje raspravljati.

Feroelektrici

Spontana ili spontana polarizacija materije prvi put je otkrivena 1920. godine u kristalima Rochelle soli, a kasnije i u drugim kristalima. Međutim, u čast Rochelle soli, prvog otvorenog dielektrika koji pokazuje to svojstvo, cijela skupina takvih tvari počela se nazivati ​​feroelektrici ili feroelektrici. Od 1930. do 1934. na Lenjingradskom odsjeku za fiziku pod vodstvom Igora Vasiljeviča Kurčatova provedena su detaljna istraživanja spontane polarizacije dielektrika.

Pokazalo se da svi feroelektrici u početku pokazuju izraženu anizotropiju feroelektričnih svojstava, a polarizacija se može uočiti samo duž jedne od kristalnih osi.Izotropni dielektrici imaju istu polarizaciju za sve svoje molekule, dok su za anizotropne tvari vektori polarizacije različiti u različitim smjerovima. Trenutno je otkriveno na stotine feroelektrika.

Feroelektrici se razlikuju po sljedećim posebnim svojstvima. Njihova dielektrična konstanta e u određenom temperaturnom području je u rasponu od 1000 do 10000 i mijenja se ovisno o jakosti primijenjenog elektrostatskog polja te se također mijenja nelinearno. Ovo je manifestacija tzv Dielektrična histereza, možete čak iscrtati krivulju polarizacije feroelektrika - krivulju histereze.

Krivulja histereze feroelektrika slična je petlji histereze za feromagnet u magnetskom polju. Ovdje postoji točka zasićenja, ali također možete vidjeti da čak i u odsutnosti vanjskog električnog polja, kada je ono jednako nuli, opaža se neka zaostala polarizacija u kristalu kako bi se eliminirala suprotno usmjerena koercitivna sila primijenjen na uzorak.

Feroelektrike također karakterizira intrinzična Curiejeva točka, to jest temperatura na kojoj feroelektrik počinje gubiti svoju zaostalu polarizaciju kada se dogodi fazni prijelaz drugog reda. Za Rochelle sol temperatura Curiejeve točke je u rasponu od +18 do +24ºC.

Razlog prisutnosti feroelektričnih svojstava u dielektriku je spontana polarizacija koja je posljedica jake interakcije između čestica tvari. Supstanca teži minimalnoj potencijalnoj energiji, dok je zbog prisutnosti tzv. strukturnih defekata kristal ionako podijeljen na regije.

Kao rezultat toga, kada nema vanjskog električnog polja, ukupni električni moment kristala je jednak nuli, a kada se primijeni vanjsko električno polje, ta se područja nastoje orijentirati duž njega. Feroelektrici se koriste u radiotehničkim uređajima kao što su varikondi — kondenzatori promjenjivog kapaciteta.

Elektreti

Dielektricima se nazivaju dielektrici koji mogu dugo zadržati polarizirano stanje čak i nakon što se vanjsko elektrostatsko polje koje je uzrokovalo polarizaciju isključi. U početku, dielektrične molekule imaju konstantne dipolne momente.

Ali ako se takav dielektrik rastali i zatim se za vrijeme topljenja primijeni snažno trajno elektrostatsko polje, značajan dio molekula rastaljene tvari bit će usmjeren u skladu s primijenjenim poljem. Sada se rastaljena tvar mora ohladiti dok se potpuno ne skrutne , ali elektrostatskom polju je dopušteno djelovati dok tvar ne očvrsne. Kada se rastaljena tvar potpuno ohladi, polje se može isključiti.

Rotacija molekula u očvrsloj tvari nakon ovog postupka bit će otežana, što znači da će molekule zadržati svoju orijentaciju. Tako nastaju električari koji su sposobni održavati polarizirano stanje od nekoliko dana do mnogo godina. Prvi put je elektret (termoelektret) napravio na sličan način od karnauba voska i smole japanski fizičar Yoguchi, a dogodilo se to 1922. godine.

Rezidualna polarizacija dielektrika može se postići usmjeravanjem kvazi-dipola u kristalima migriranjem nabijenih čestica na elektrode ili, na primjer, ubrizgavanjem nabijenih čestica s elektroda ili iz međuelektrodnih raspora u dielektrik tijekom polarizacije. Nositelji naboja mogu se unijeti u uzorak umjetnim putem, na primjer ozračivanjem snopom elektrona. S vremenom se stupanj polarizacije elektreta smanjuje zbog procesa relaksacije i kretanja nositelja naboja pod utjecajem unutarnjeg električnog polja elektreta.

U principu, svaki dielektrik se može pretvoriti u elektretno stanje. Najstabilniji elektreti dobivaju se od smola i voskova, od polimera i anorganskih dielektrika s polikristalnom ili monokristalnom strukturom, od stakla, sita itd.

Da bi dielektrik postao stabilan elektret, mora se zagrijati do tališta u jakom elektrostatskom polju, a zatim ohladiti bez gašenja polja (takvi elektreti se nazivaju termoelektreti).

Uzorak možete osvijetliti u jakom električnom polju i tako proizvesti fotoelektrike. Ili ozračiti radioaktivnim efektima — radioelektrikom. Samo ga stavite u vrlo jako elektrostatičko polje — dobit ćete elektrolektret. Ili u magnetskom polju — magnetoelektret. Stvrdnjavanje organske otopine u električnom polju je krioelektret.

Metanolni elektreti se dobivaju mehaničkim deformiranjem polimera. Kroz trenje - triboelektrici. Koronaelektreti su u polju djelovanja koronskog pražnjenja. Stabilni površinski naboj postignut na elektretu je reda veličine 0,00000001 C/cm2.

Elektreti različitog porijekla koriste se kao izvori konstantnog elektrostatskog polja u senzorima vibracija, mikrofonima, generatorima signala, elektrometrima, voltmetrima itd. Savršeno služe kao osjetljivi elementi u dozimetrima, memorijskim uređajima. Kao uređaji za fokusiranje u plinskim filterima, barometrima i higrometrima. Posebno se fotoelektreti koriste u elektrofotografiji.