Dielektrik med speciella egenskaper — ferroelektrik och el

Dielektrika i ordets vanliga mening är ämnen som får ett elektriskt moment under inverkan av ett externt elektrostatiskt fält. Bland dielektrika finns dock de som uppvisar helt ovanliga egenskaper. Dessa dielektrika med speciella egenskaper inkluderar ferroelektriska och dielektrika. Dessa kommer att diskuteras vidare.

Ferroelektrik

Spontan eller spontan polarisering av materia upptäcktes först 1920 i Rochelle saltkristaller och senare i andra kristaller. Men för att hedra Rochelle salt, det första öppna dielektrikumet som uppvisar denna egenskap, började hela gruppen av sådana ämnen att kallas ferroelektriska eller ferroelektriska. 1930-1934 genomfördes en detaljerad studie av den spontana polariseringen av dielektrika vid Leningrads fysikavdelning under ledning av Igor Vasilievich Kurchatov.

Det visade sig att all ferroelektrik initialt visar en uttalad anisotropi av ferroelektriska egenskaper, och polarisering kan observeras längs endast en av kristallaxlarna.Isotropiska dielektrika har samma polarisation för alla sina molekyler, medan för anisotropa ämnen är polarisationsvektorerna olika i olika riktningar. För närvarande har hundratals ferroelektriska ämnen upptäckts.

Ferroelektrik kännetecknas av följande speciella egenskaper. Deras dielektricitetskonstant e i ett visst temperaturområde ligger i intervallet 1000 till 10000 och ändras beroende på styrkan hos det applicerade elektrostatiska fältet och ändras även icke-linjärt. Detta är en manifestation av den sk Dielektrisk hysteres, du kan till och med plotta polarisationskurvan för en ferroelektrisk - en hystereskurva.

Hystereskurvan för en ferroelektrisk utrustning liknar en hysteresloop för en ferromagnet i ett magnetfält. Det finns en mättnadspunkt här, men du kan också se att även i frånvaro av ett externt elektriskt fält, när det är lika med noll, observeras viss restpolarisation i kristallen för att eliminera vilken en motsatt riktad koercitivkraft skulle behöva vara tillämpas på provet.

Ferroelektrik kännetecknas också av en inneboende Curie-punkt, det vill säga den temperatur vid vilken ferroelektriken börjar förlora sin återstående polarisation när en andra ordningens fasövergång inträffar. För Rochelle-salt ligger Curiepunktstemperaturen i intervallet +18 till +24ºC.

Orsaken till närvaron av ferroelektriska egenskaper i ett dielektrikum är spontan polarisering som är ett resultat av den starka växelverkan mellan ämnets partiklar. Ämnet strävar efter ett minimum av potentiell energi, medan på grund av förekomsten av så kallade strukturella defekter är kristallen ändå uppdelad i regioner.

Som ett resultat, när det inte finns något yttre elektriskt fält, är den totala elektriska rörelsemängden för kristallen noll, och när ett externt elektriskt fält appliceras tenderar dessa områden att orientera sig längs den. Ferroelektrik används i radiotekniska enheter som varikoner - kondensatorer med variabel kapacitans.

Elektreter

Dielektrika kallas dielektrika som kan bibehålla ett polariserat tillstånd under lång tid även efter det att det externa elektrostatiska fältet som orsakade polarisationen stängs av. Inledningsvis har dielektriska molekyler konstanta dipolmoment.

Men om ett sådant dielektrikum smälts och sedan ett starkt permanent elektrostatiskt fält appliceras medan det smälter, kommer en betydande del av det smälta ämnets molekyler att orienteras efter det applicerade fältet.Nu måste det smälta ämnet kylas tills det stelnar helt , men det elektrostatiska fältet tillåts verka tills ämnet stelnar. När det smälta ämnet har svalnat helt kan fältet stängas av.

Rotationen av molekylerna i substansen som stelnat efter denna procedur blir svår, vilket innebär att molekylerna kommer att behålla sin orientering. Det är så elektriker är gjorda, kapabla att upprätthålla ett polariserat tillstånd från några dagar till många år. För första gången tillverkades elektret (termoelektret) på liknande sätt av karnaubavax och kolofonium av den japanska fysikern Yoguchi, detta hände 1922.

Återstående polarisering av dielektrikumet kan erhållas genom att orientera kvasi-dipoler i kristaller genom att migrera laddade partiklar till elektroderna eller, till exempel, genom att injicera laddade partiklar från elektroder eller från mellanelektrodgap in i dielektrikumet under polarisering. Laddningsbärare kan införas i provet artificiellt, till exempel genom elektronstrålebestrålning. Med tiden minskar graden av polarisering av elektreten på grund av avslappningsprocesser och rörelsen av laddningsbärare under påverkan av elektretens inre elektriska fält.

I princip kan vilket dielektrikum som helst omvandlas till ett elektrettillstånd. De mest stabila elektreterna erhålls från hartser och vaxer, från polymerer och oorganiska dielektrika med en polykristallin eller monokristallin struktur, från glas, siktar etc.

För att göra ett dielektrikum till en stabil elektret måste det värmas upp till smältpunkten i ett starkt elektrostatiskt fält och sedan kylas utan att fältet slås av (sådana elektreter kallas termoelektreter).

Du kan belysa provet i ett starkt elektriskt fält och på så sätt producera fotoelektrik. Eller bestråla med radioaktiva effekter — radioelektrik. Lägg den bara i ett mycket starkt elektrostatiskt fält - du får en elektroelektret. Eller i ett magnetfält — en magnetoelektret. Stelningen av en organisk lösning i ett elektriskt fält är kryoelektret.

Metanolelektreter erhålls genom mekanisk deformation av polymeren. Genom friktion - triboelektrik. Corona-elektreter är i verkningsfältet för koronaurladdningen. En stabil ytladdning som uppnås på elektreten är i storleksordningen 0,00000001 C/cm2.

Elektreter av olika ursprung används som källor för konstant elektrostatiskt fält i vibrationssensorer, mikrofoner, signalgeneratorer, elektrometrar, voltmetrar, etc. De fungerar perfekt som känsliga element i dosimetrar, minnesenheter. Som fokuseringsanordningar i gasfilter, barometrar och hygrometrar. I synnerhet används fotoelektreter vid elektrofotografering.