Különleges tulajdonságokkal rendelkező dielektrikumok — ferroelektrikumok és elektromos anyagok
A szó szokásos értelmében a dielektrikumok olyan anyagok, amelyek külső elektrosztatikus mező hatására elektromos nyomatékot kapnak. A dielektrikumok között azonban vannak olyanok, amelyek teljesen szokatlan tulajdonságokat mutatnak. Ezek a különleges tulajdonságokkal rendelkező dielektrikumok közé tartoznak a ferroelektrikumok és a dielektrikumok. Ezekről még lesz szó.
Ferroelektromos
Az anyag spontán vagy spontán polarizációját először 1920-ban fedezték fel Rochelle-sókristályokban, majd később más kristályokban. Azonban a Rochelle-só tiszteletére, az első nyílt dielektrikum, amely ezt a tulajdonságot mutatta, az ilyen anyagok teljes csoportját ferroelektrikumnak vagy ferroelektrikumnak nevezték. 1930-1934-ben a Leningrádi Fizikai Tanszéken Igor Vasziljevics Kurchatov vezetésével részletes tanulmányt végeztek a dielektrikumok spontán polarizációjáról.
Kiderült, hogy kezdetben minden ferroelektromos anyag a ferroelektromos tulajdonságok kifejezett anizotrópiáját mutatja, és a polarizáció csak az egyik kristálytengely mentén figyelhető meg.Az izotróp dielektrikumok minden molekulájánál azonos polarizációval rendelkeznek, míg az anizotróp anyagoknál a polarizációs vektorok különböző irányokban különböznek. Jelenleg több száz ferroelektromos elemet fedeztek fel.
A ferroelektromos anyagokat a következő speciális tulajdonságok különböztetik meg. Az e dielektromos állandójuk egy bizonyos hőmérsékleti tartományban 1000 és 10000 között van, és az alkalmazott elektrosztatikus tér erősségétől függően változik, és nem lineárisan is változik. Ez egy megnyilvánulása az ún Dielektromos hiszterézis, akár egy ferroelektromos polarizációs görbéjét is megrajzolhatja – hiszterézis görbét.
A ferroelektromos hiszterézis görbéje hasonló a mágneses térben lévő ferromágnes hiszterézis hurokhoz. Itt van egy telítési pont, de az is látható, hogy külső elektromos tér hiányában is, amikor az egyenlő nullával, a kristályban némi maradék polarizáció figyelhető meg, aminek kiküszöbölésére ellentétes irányú kényszerítő erőt kellene kifejteni. alkalmazzák a mintára.
A ferroelektromokra jellemző a belső Curie-pont is, vagyis az a hőmérséklet, amelyen a ferroelektromos elem elveszti maradék polarizációját, amikor másodrendű fázisátalakulás következik be. A Rochelle-só esetében a Curie-pont hőmérséklete +18 és +24ºC között van.
A ferroelektromos tulajdonságok jelenlétének oka a dielektrikumban az anyag részecskéi közötti erős kölcsönhatásból eredő spontán polarizáció. Az anyag minimális potenciális energiára törekszik, miközben az úgynevezett szerkezeti hibák miatt a kristály amúgy is régiókra oszlik.
Ennek eredményeként, ha nincs külső elektromos tér, a kristály teljes elektromos impulzusa nulla, és ha külső elektromos mezőt alkalmazunk, ezek a tartományok hajlamosak arra, hogy ennek mentén tájékozódjanak. A ferroelektromos anyagokat olyan rádiótechnikai eszközökben használják, mint a variconds - változó kapacitású kondenzátorok.
Elektretek
A dielektrikumokat olyan dielektrikumoknak nevezzük, amelyek a polarizációt okozó külső elektrosztatikus tér kikapcsolása után is hosszú ideig képesek polarizált állapotot fenntartani. Kezdetben a dielektromos molekulák állandó dipólusmomentumokkal rendelkeznek.
De ha egy ilyen dielektrikumot megolvasztunk, majd olvadás közben erős permanens elektrosztatikus mezőt alkalmazunk, akkor az olvadt anyag molekuláinak jelentős része az alkalmazott térnek megfelelően orientálódik.Most az olvadt anyagot addig kell hűteni, amíg teljesen megszilárdul. , de az elektrosztatikus mezőt addig hagyjuk hatni, amíg az anyag megkeményedik. Amikor az olvadt anyag teljesen lehűlt, a mező kikapcsolható.
Az eljárás után megszilárdult anyagban a molekulák forgása nehéz lesz, ami azt jelenti, hogy a molekulák megtartják orientációjukat. Így készülnek a villanyszerelők, amelyek néhány naptól sok évig polarizált állapotot képesek fenntartani. Először készített hasonló módon elektretet (termoelektretet) karnaubaviaszból és gyantából Yoguchi japán fizikus, ez 1922-ben történt.
A dielektrikum maradék polarizációját úgy érhetjük el, hogy a kristályokban lévő kvázi-dipólusokat orientáljuk úgy, hogy töltött részecskéket vándorolunk az elektródákra, vagy például töltött részecskéket injektálunk az elektródákról vagy az elektródák közötti résekből a dielektrikumba a polarizáció során. A töltéshordozók mesterségesen, például elektronsugaras besugárzással juttathatók a mintába. Idővel az elektret polarizációs foka csökken a relaxációs folyamatok és a töltéshordozók mozgása miatt az elektret belső elektromos mezőjének hatására.
Elvileg bármely dielektrikum elektret állapotúvá alakítható. A legstabilabb elektreteket gyantákból és viaszokból, polimerekből és polikristályos vagy monokristályos szerkezetű szervetlen dielektrikumokból, üvegekből, szitákból stb.
Ahhoz, hogy a dielektrikum stabil elektretté váljon, erős elektrosztatikus térben olvadáspontig kell hevíteni, majd le kell hűteni a mező kikapcsolása nélkül (az ilyen elektreteket termoelektreteknek nevezzük).
Erős elektromos térben megvilágíthatja a mintát, így fotoelektromos anyagokat állíthat elő. Vagy radioaktív hatásokkal – radioelektromos anyagokkal – besugározzuk. Csak helyezze egy nagyon erős elektrosztatikus mezőbe – kapsz egy elektroelektretet. Vagy mágneses térben - magnetoelektretben. A szerves oldat megszilárdulása elektromos térben krioelektret.
A metanol elektreteket a polimer mechanikai deformálásával állítják elő. Súrlódáson keresztül - triboelektromos. A koronaelektretek a koronakisülés hatásmezejében vannak. Az elektreten elért stabil felületi töltés 0,00000001 C/cm2 nagyságrendű.
A különböző eredetű elektreteket állandó elektrosztatikus mező forrásaként használják rezgésérzékelőkben, mikrofonokban, jelgenerátorokban, elektrométerekben, voltmérőkben stb. Tökéletesen szolgálnak érzékeny elemként doziméterekben, memóriaeszközökben. Fókuszáló készülékként gázszűrőkben, barométerekben és higrométerekben. A fotoelektreteket különösen az elektrofotózásban használják.