Dielectrice cu proprietăți speciale — feroelectrice și electrice

Dielectricii în sensul obișnuit al cuvântului sunt substanțe care dobândesc un moment electric sub acțiunea unui câmp electrostatic extern. Printre dielectrici, totuși, există aceia care prezintă proprietăți complet neobișnuite. Acești dielectrici cu proprietăți speciale includ feroelectricii și dielectricii. Acestea vor fi discutate în continuare.

Feroelectrice

Polarizarea spontană sau spontană a materiei a fost descoperită pentru prima dată în 1920 în cristalele de sare Rochelle și mai târziu în alte cristale. Cu toate acestea, în onoarea sării Rochelle, primul dielectric deschis care prezintă această proprietate, întregul grup de astfel de substanțe a început să fie numit feroelectrici sau feroelectrici. În 1930-1934, la Departamentul de Fizică din Leningrad, sub conducerea lui Igor Vasilievich Kurchatov, a fost efectuat un studiu detaliat al polarizării spontane a dielectricilor.

S-a dovedit că toate feroelectricele demonstrează inițial o anizotropie pronunțată a proprietăților feroelectrice, iar polarizarea poate fi observată doar de-a lungul uneia dintre axele cristalului.Dielectricii izotropi au aceeași polarizare pentru toate moleculele lor, în timp ce pentru substanțele anizotrope, vectorii de polarizare sunt diferiți în direcții diferite. În prezent, au fost descoperite sute de feroelectrice.

Feroelectricele se disting prin următoarele proprietăți speciale. Constanta lor dielectrică e într-un anumit interval de temperatură este în intervalul de la 1000 la 10000 și se modifică în funcție de intensitatea câmpului electrostatic aplicat și, de asemenea, se modifică neliniar. Aceasta este o manifestare a așa-numitului Histerezis dielectric, puteți chiar să reprezentați curba de polarizare a unui feroelectric - o curbă de histerezis.

Curba de histerezis a unui feroelectric este similară cu o buclă de histerezis pentru un feromagnet într-un câmp magnetic. Există un punct de saturație aici, dar puteți vedea, de asemenea, că chiar și în absența unui câmp electric extern, când acesta este egal cu zero, se observă o polarizare reziduală în cristal pentru a elimina forța coercitivă direcționată opus. aplicat probei.

Feroelectricele sunt, de asemenea, caracterizate de un punct Curie intrinsec, adică temperatura la care feroelectricul începe să-și piardă polarizarea reziduală pe măsură ce are loc o tranziție de fază de ordinul doi. Pentru sarea Rochelle, temperatura punctului Curie este în intervalul de la +18 la +24 °C.

Motivul prezenței proprietăților feroelectrice într-un dielectric este polarizarea spontană rezultată din interacțiunea puternică dintre particulele substanței. Substanța se străduiește pentru un minim de energie potențială, în timp ce datorită prezenței așa-numitelor defecte structurale, cristalul este oricum împărțit în regiuni.

Ca rezultat, atunci când nu există un câmp electric extern, impulsul electric total al cristalului este zero, iar atunci când se aplică un câmp electric extern, aceste regiuni tind să se orienteze de-a lungul acestuia. Feroelectricele sunt utilizate în dispozitivele de inginerie radio, cum ar fi variconde - condensatoare cu capacitate variabilă.

Electreți

Dielectricii se numesc dielectrici care pot menține o stare polarizată pentru o perioadă lungă de timp chiar și după ce câmpul electrostatic extern care a cauzat polarizarea este oprit. Inițial, moleculele dielectrice au momente dipol constante.

Dar dacă un astfel de dielectric este topit și apoi se aplică un câmp electrostatic permanent puternic în timp ce acesta se topește, o fracțiune semnificativă din moleculele substanței topite vor fi orientate în funcție de câmpul aplicat.Acum, substanța topită trebuie răcită până se solidifică complet. , dar câmpul electrostatic este lăsat să acționeze până când substanța se întărește. Când substanța topită s-a răcit complet, câmpul poate fi oprit.

Rotația moleculelor din substanța solidificată după această procedură va fi dificilă, ceea ce înseamnă că moleculele își vor păstra orientarea. Așa se fac electricienii, capabili să mențină o stare polarizată de la câteva zile la mulți ani. Pentru prima dată electretul (termoelectretul) a fost făcut într-un mod similar din ceară de carnauba și colofoniu de către fizicianul japonez Yoguchi, acest lucru s-a întâmplat în 1922.

Polarizarea reziduală a dielectricului poate fi obținută prin orientarea cvasidipolilor în cristale prin migrarea particulelor încărcate către electrozi sau, de exemplu, prin injectarea particulelor încărcate de la electrozi sau din golurile interelectrode în dielectric în timpul polarizării. Purtătorii de sarcină pot fi introduși în probă în mod artificial, de exemplu prin iradiere cu fascicul de electroni. În timp, gradul de polarizare a electretului scade din cauza proceselor de relaxare și a mișcării purtătorilor de sarcină sub influența câmpului electric intern al electretului.

În principiu, orice dielectric poate fi convertit într-o stare electret. Cei mai stabili electreți se obțin din rășini și ceară, din polimeri și dielectrici anorganici cu structură policristalină sau monocristalină, din pahare, site etc.

Pentru a face un dielectric un electret stabil, acesta trebuie încălzit până la punctul de topire într-un câmp electrostatic puternic și apoi răcit fără a opri câmpul (astfel de electreți se numesc termoelectreți).

Puteți ilumina proba într-un câmp electric puternic, producând astfel fotoelectrice. Sau iradiază cu efecte radioactive — radioelectrice. Puneți-l într-un câmp electrostatic foarte puternic - obțineți un electrolectret. Sau într-un câmp magnetic - un magnetoelectret. Solidificarea unei soluții organice într-un câmp electric este crioelectret.

Electreții de metanol se obțin prin deformarea mecanică a polimerului. Prin frecare – triboelectrice. Electreții corona sunt în câmpul de acțiune al descărcării corona. O sarcină de suprafață stabilă obținută pe electret este de ordinul a 0,00000001 C/cm2.

Electreții de diverse origini sunt utilizați ca surse de câmp electrostatic constant în senzori de vibrații, microfoane, generatoare de semnal, electrometre, voltmetre etc. Ele servesc perfect ca elemente sensibile în dozimetre, dispozitive de memorie. Ca dispozitive de focalizare în filtre de gaz, barometre și higrometre. În special, fotoelectreții sunt utilizați în electrofotografie.