Dielektrik med specielle egenskaber — ferroelektrik og elektrisk

Dielektriske stoffer i ordets sædvanlige betydning er stoffer, der får et elektrisk moment under påvirkning af et eksternt elektrostatisk felt. Blandt dielektrika er der dog dem, der udviser helt usædvanlige egenskaber. Disse dielektrika med specielle egenskaber omfatter ferroelektriske og dielektriske stoffer. Disse vil blive diskuteret yderligere.

Ferroelektrik

Spontan eller spontan polarisering af stof blev først opdaget i 1920 i Rochelle saltkrystaller og senere i andre krystaller. Men til ære for Rochelle salt, det første åbne dielektriske, der udviser denne egenskab, begyndte hele gruppen af ​​sådanne stoffer at blive kaldt ferroelektrik eller ferroelektrik. I 1930-1934 blev en detaljeret undersøgelse af den spontane polarisering af dielektrikum udført ved Leningrad Fysik Afdeling under ledelse af Igor Vasilievich Kurchatov.

Det viste sig, at alle ferroelektriske stoffer i begyndelsen viser en udtalt anisotropi af ferroelektriske egenskaber, og polarisering kan kun observeres langs en af ​​krystalakserne.Isotropiske dielektrika har samme polarisering for alle deres molekyler, mens for anisotrope stoffer er polarisationsvektorerne forskellige i forskellige retninger. I øjeblikket er hundredvis af ferroelektriske stoffer blevet opdaget.

Ferroelektrik er kendetegnet ved følgende specielle egenskaber. Deres dielektriske konstant e i et bestemt temperaturområde er i området fra 1000 til 10000 og ændrer sig afhængigt af styrken af ​​det påførte elektrostatiske felt og ændrer sig også ikke-lineært. Dette er en manifestation af den såkaldte Dielektrisk hysterese, du kan endda plotte polarisationskurven for et ferroelektrisk - en hysteresekurve.

Hysteresekurven for et ferroelektrisk materiale ligner en hystereseløkke for en ferromagnet i et magnetfelt. Der er et mætningspunkt her, men du kan også se, at selv i fravær af et eksternt elektrisk felt, når det er lig med nul, observeres en restpolarisering i krystallen for at eliminere, hvilken en modsat rettet tvangskraft skulle være anvendt på prøven.

Ferroelektrik er også kendetegnet ved et iboende Curie-punkt, det vil sige den temperatur, ved hvilken ferroelektrikken begynder at miste sin resterende polarisering, når en andenordens faseovergang forekommer. For Rochelle-salt er Curie-punkttemperaturen i området fra +18 til +24ºC.

Årsagen til tilstedeværelsen af ​​ferroelektriske egenskaber i et dielektrikum er spontan polarisering som følge af den stærke interaktion mellem stoffets partikler. Stoffet stræber efter et minimum af potentiel energi, mens krystallen på grund af tilstedeværelsen af ​​såkaldte strukturelle defekter alligevel er opdelt i regioner.

Som et resultat, når der ikke er noget eksternt elektrisk felt, er krystallens samlede elektriske momentum nul, og når et eksternt elektrisk felt påføres, har disse områder en tendens til at orientere sig langs det. Ferroelektrik bruges i radiotekniske enheder såsom variconder - kondensatorer med variabel kapacitans.

Elektreter

Dielektriske stoffer kaldes dielektrika, der kan opretholde en polariseret tilstand i lang tid, selv efter at det eksterne elektrostatiske felt, der forårsagede polariseringen, er slukket. Oprindeligt har dielektriske molekyler konstante dipolmomenter.

Men hvis et sådant dielektrikum smeltes, og så påføres et stærkt permanent elektrostatisk felt, mens det smelter, vil en betydelig del af molekylerne i det smeltede stof blive orienteret efter det påførte felt.Nu skal det smeltede stof afkøles, indtil det størkner helt , men det elektrostatiske felt får lov at virke indtil stoffet hærder. Når det smeltede stof er afkølet helt, kan feltet slukkes.

Rotationen af ​​molekylerne i stoffet størknet efter denne procedure vil være vanskelig, hvilket betyder, at molekylerne vil bevare deres orientering. Sådan er elektrikere lavet, der er i stand til at opretholde en polariseret tilstand fra få dage til mange år. For første gang blev elektret (termoelektret) fremstillet på lignende måde af carnaubavoks og kolofonium af den japanske fysiker Yoguchi, dette skete i 1922.

Resterende polarisering af dielektrikumet kan opnås ved at orientere kvasi-dipoler i krystaller ved at migrere ladede partikler til elektroderne eller for eksempel ved at indsprøjte ladede partikler fra elektroder eller fra interelektrodegab ind i dielektrikumet under polarisering. Ladningsbærere kan indføres kunstigt i prøven, for eksempel ved elektronstrålebestråling. Over tid falder graden af ​​polarisering af elektreten på grund af afslapningsprocesser og bevægelsen af ​​ladningsbærere under påvirkning af elektretens indre elektriske felt.

I princippet kan ethvert dielektrikum omdannes til en elektrettilstand. De mest stabile elektreter fås fra harpiks og voks, fra polymerer og uorganiske dielektrika med en polykrystallinsk eller monokrystallinsk struktur, fra glas, sigter mv.

For at gøre et dielektrikum til en stabil elektret, skal det opvarmes til smeltepunktet i et stærkt elektrostatisk felt og derefter afkøles uden at slukke for feltet (sådanne elektreter kaldes termoelektreter).

Du kan belyse prøven i et stærkt elektrisk felt og dermed producere fotoelektrik. Eller bestråle med radioaktive effekter - radioelektrisk. Bare sæt det i et meget stærkt elektrostatisk felt - du får en elektroelektret. Eller i et magnetfelt - en magnetoelektret. Størkningen af ​​en organisk opløsning i et elektrisk felt er kryoelektret.

Methanol-elektreter opnås ved mekanisk deformation af polymeren. Gennem friktion - triboelektrik. Corona-elektreter er i coronaudladningens virkefelt. En stabil overfladeladning opnået på elektreten er af størrelsesordenen 0,00000001 C/cm2.

Elektreter af forskellig oprindelse bruges som kilder til konstant elektrostatisk felt i vibrationssensorer, mikrofoner, signalgeneratorer, elektrometre, voltmetre osv. De fungerer perfekt som følsomme elementer i dosimetre, hukommelsesenheder. Som fokuseringsenheder i gasfiltre, barometre og hygrometre. Især fotoelektreter bruges i elektrofotografering.