Dielektrika se speciálními vlastnostmi — feroelektrika a elektrika

Dielektrika v obvyklém slova smyslu jsou látky, které působením vnějšího elektrostatického pole získávají elektrický moment. Mezi dielektriky se však najdou ta, která vykazují zcela neobvyklé vlastnosti. Mezi tato dielektrika se speciálními vlastnostmi patří feroelektrika a dielektrika. O těch se bude dále diskutovat.

Feroelektrika

Spontánní nebo spontánní polarizace hmoty byla poprvé objevena v roce 1920 v krystalech soli Rochelle a později v jiných krystalech. Na počest Rochelleovy soli, prvního otevřeného dielektrika vykazujícího tuto vlastnost, se však celá skupina takových látek začala nazývat feroelektrika nebo feroelektrika. V letech 1930-1934 byla na katedře fyziky Leningradu pod vedením Igora Vasilieviče Kurčatova provedena podrobná studie spontánní polarizace dielektrik.

Ukázalo se, že všechna feroelektrika zpočátku vykazují výraznou anizotropii feroelektrických vlastností a polarizaci lze pozorovat pouze podél jedné z krystalových os.Izotropní dielektrika mají stejnou polarizaci pro všechny své molekuly, zatímco u anizotropních látek jsou polarizační vektory různé v různých směrech. V současné době byly objeveny stovky feroelektrik.

Feroelektrika se vyznačují následujícími speciálními vlastnostmi. Jejich dielektrická konstanta e se v určitém teplotním rozsahu pohybuje v rozmezí 1000 až 10000 a mění se v závislosti na síle působícího elektrostatického pole a mění se i nelineárně. Jedná se o projev tzv Dielektrickou hysterezi, můžete dokonce vykreslit polarizační křivku feroelektrika – hysterezní křivku.

Hysterezní křivka feroelektrika je podobná hysterezní smyčce pro feromagnet v magnetickém poli. Je zde bod nasycení, ale můžete také vidět, že i v nepřítomnosti vnějšího elektrického pole, když je rovno nule, je v krystalu pozorována určitá zbytková polarizace, která by musela být eliminována opačně směrovanou koercitivní silou. aplikované na vzorek.

Feroelektrika se také vyznačují vnitřním Curieovým bodem, tj. teplotou, při které feroelektrikum začíná ztrácet svou zbytkovou polarizaci, když dochází k fázovému přechodu druhého řádu. U soli Rochelle je teplota Curieho bodu v rozmezí +18 až +24ºC.

Důvodem přítomnosti feroelektrických vlastností v dielektriku je spontánní polarizace vyplývající ze silné interakce mezi částicemi látky. Látka se snaží o minimum potenciální energie, přičemž díky přítomnosti tzv. strukturálních defektů je krystal tak jako tak rozdělen na oblasti.

V důsledku toho, když neexistuje žádné vnější elektrické pole, je celková elektrická hybnost krystalu nulová, a když je aplikováno vnější elektrické pole, tyto oblasti mají tendenci se orientovat podél něj. Feroelektrika se používá v radiotechnických zařízeních, jako jsou varikondy — kondenzátory s proměnnou kapacitou.

Elektrety

Dielektrika se nazývají dielektrika, která dokážou udržet polarizovaný stav po dlouhou dobu i po vypnutí vnějšího elektrostatického pole, které polarizaci způsobilo. Zpočátku mají dielektrické molekuly konstantní dipólové momenty.

Ale pokud se takové dielektrikum roztaví a pak se při tavení aplikuje silné permanentní elektrostatické pole, bude značná část molekul roztavené látky orientována podle aplikovaného pole. Nyní musí být roztavená látka ochlazována, dokud zcela neztuhne , ale elektrostatické pole se nechá působit, dokud látka neztvrdne. Po úplném ochlazení roztavené látky lze pole vypnout.

Rotace molekul v látce ztuhlé po tomto postupu bude obtížná, což znamená, že molekuly si zachovají svou orientaci. Tak se vyrábějí elektrikáři, kteří jsou schopni udržet polarizovaný stav od několika dnů po mnoho let. Poprvé elektret (termoelektret) vyrobil podobným způsobem z karnaubského vosku a kalafuny japonský fyzik Yoguchi, stalo se tak v roce 1922.

Zbytkovou polarizaci dielektrika lze získat orientací kvazidipólů v krystalech migrací nabitých částic k elektrodám nebo například vstřikováním nabitých částic z elektrod nebo z mezielektrodových mezer do dielektrika během polarizace. Nosiče náboje lze do vzorku zavést uměle, například ozářením elektronovým paprskem. Postupem času se míra polarizace elektretu snižuje v důsledku relaxačních procesů a pohybu nosičů náboje pod vlivem vnitřního elektrického pole elektretu.

V zásadě lze do elektretového stavu převést jakékoli dielektrikum. Nejstabilnější elektrety se získávají z pryskyřic a vosků, z polymerů a anorganických dielektrik s polykrystalickou nebo monokrystalickou strukturou, ze skel, sít atp.

Aby bylo dielektrikum stabilní elektret, musí být zahřáto na teplotu tání v silném elektrostatickém poli a poté ochlazeno bez vypnutí pole (takové elektrety se nazývají termoelektrety).

Vzorek můžete nasvítit v silném elektrickém poli a tím vyrobit fotoelektriku. Nebo ozařovat radioaktivními účinky — radioelektrikou. Stačí jej umístit do velmi silného elektrostatického pole – získáte elektrolekret. Nebo v magnetickém poli — magnetoelektretu. Tuhnutí organického roztoku v elektrickém poli je kryoelektret.

Metanolové elektrety se získávají mechanickou deformací polymeru. Prostřednictvím tření - triboelektrika. V oblasti působení koronového výboje jsou koronové elektrety. Stabilní povrchový náboj dosažený na elektretu je řádově 0,00000001 C/cm2.

Elektrety různého původu se používají jako zdroje konstantního elektrostatického pole ve snímačích vibrací, mikrofonech, generátorech signálu, elektroměrech, voltmetrech atd. Perfektně slouží jako citlivé prvky v dozimetrech, paměťových zařízeních. Jako zaostřovací zařízení v plynových filtrech, barometrech a vlhkoměrech. Zejména fotoelektrety se používají v elektrofotografii.