Diëlektrica met speciale eigenschappen - ferro-elektriciteit en elektra

Diëlektrica in de gebruikelijke zin van het woord zijn stoffen die een elektrisch moment krijgen onder invloed van een extern elektrostatisch veld. Onder diëlektrica zijn er echter die volledig ongebruikelijke eigenschappen vertonen. Deze diëlektrica met speciale eigenschappen omvatten ferro-elektrische en diëlektrica. Deze zullen verder besproken worden.

Ferro-elektriciteit

Spontane of spontane polarisatie van materie werd voor het eerst ontdekt in 1920 in Rochelle-zoutkristallen en later in andere kristallen. Echter, ter ere van Rochelle-zout, het eerste open diëlektricum dat deze eigenschap vertoonde, begon de hele groep van dergelijke stoffen ferro-elektriciteit of ferro-elektriciteit te worden genoemd. In 1930-1934 werd een gedetailleerde studie van de spontane polarisatie van diëlektrica uitgevoerd op de afdeling fysica van Leningrad onder leiding van Igor Vasilievich Kurchatov.

Het bleek dat alle ferro-elektrische materialen aanvankelijk een uitgesproken anisotropie van ferro-elektrische eigenschappen vertonen, en polarisatie kan slechts langs één van de kristalassen worden waargenomen.Isotrope diëlektrica hebben dezelfde polarisatie voor al hun moleculen, terwijl voor anisotrope stoffen de polarisatievectoren in verschillende richtingen verschillend zijn. Momenteel zijn er honderden ferro-elektrische apparaten ontdekt.

Ferro-elektrische materialen onderscheiden zich door de volgende bijzondere eigenschappen. Hun diëlektrische constante e in een bepaald temperatuurbereik ligt in het bereik van 1000 tot 10000 en verandert afhankelijk van de sterkte van het aangelegde elektrostatische veld en verandert ook niet-lineair. Dit is een manifestatie van de zogenaamde Diëlektrische hysteresis, je kunt zelfs de polarisatiecurve van een ferroelektricum plotten - een hysteresiscurve.

De hysteresiscurve van een ferroelektricum is vergelijkbaar met een hysteresislus voor een ferromagneet in een magnetisch veld. Er is hier een verzadigingspunt, maar je kunt ook zien dat zelfs bij afwezigheid van een extern elektrisch veld, wanneer het gelijk is aan nul, er enige resterende polarisatie in het kristal wordt waargenomen om te elimineren wat een tegengesteld gerichte dwangkracht zou moeten zijn. toegepast op het monster.

Ferro-elektriciteit wordt ook gekenmerkt door een intrinsiek Curie-punt, dat wil zeggen de temperatuur waarbij het ferroelektricum zijn restpolarisatie begint te verliezen als er een faseovergang van de tweede orde plaatsvindt. Voor Rochelle-zout ligt de Curie-punttemperatuur tussen +18 en +24ºC.

De reden voor de aanwezigheid van ferro-elektrische eigenschappen in een diëlektricum is spontane polarisatie als gevolg van de sterke interactie tussen de deeltjes van de stof. De stof streeft naar een minimum aan potentiële energie, terwijl door de aanwezigheid van zogenaamde structurele defecten het kristal toch in gebieden verdeeld is.

Als gevolg hiervan is, wanneer er geen extern elektrisch veld is, het totale elektrische momentum van het kristal nul, en wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, hebben deze gebieden de neiging zich erlangs te oriënteren. Ferro-elektrische apparaten worden gebruikt in apparaten voor radiotechniek, zoals variconds - condensatoren met variabele capaciteit.

Elektra's

Diëlektrica worden diëlektrica genoemd die lange tijd een gepolariseerde toestand kunnen behouden, zelfs nadat het externe elektrostatische veld dat de polarisatie veroorzaakte, is uitgeschakeld. Aanvankelijk hebben diëlektrische moleculen constante dipoolmomenten.

Maar als zo'n diëlektricum wordt gesmolten en vervolgens een sterk permanent elektrostatisch veld wordt aangelegd terwijl het smelt, zal een aanzienlijk deel van de moleculen van de gesmolten substantie worden georiënteerd volgens het aangelegde veld.Nu moet de gesmolten substantie worden gekoeld totdat deze volledig stolt. , maar het elektrostatische veld mag werken totdat de substantie hard wordt. Als de gesmolten substantie volledig is afgekoeld, kan het veld worden uitgeschakeld.

De rotatie van de moleculen in de stof die na deze procedure is gestold, zal moeilijk zijn, wat betekent dat de moleculen hun oriëntatie behouden. Dit is hoe elektriciens worden gemaakt, in staat om een ​​gepolariseerde toestand van enkele dagen tot vele jaren te handhaven. Voor het eerst werd electret (thermo-electret) op een vergelijkbare manier gemaakt van carnaubawas en colofonium door de Japanse natuurkundige Yoguchi, dit gebeurde in 1922.

Residuele polarisatie van het diëlektricum kan worden verkregen door quasi-dipolen in kristallen te oriënteren door geladen deeltjes naar de elektroden te migreren of bijvoorbeeld door tijdens polarisatie geladen deeltjes van elektroden of uit spleten tussen de elektroden in het diëlektricum te injecteren. Ladingsdragers kunnen kunstmatig in het monster worden gebracht, bijvoorbeeld door bestraling met elektronenstralen. Na verloop van tijd neemt de polarisatiegraad van de elektret af door relaxatieprocessen en de beweging van ladingsdragers onder invloed van het interne elektrische veld van de elektret.

In principe kan elk diëlektricum worden omgezet in een elektrettoestand. De meest stabiele elektreten worden verkregen uit harsen en wassen, uit polymeren en anorganische diëlektrica met een polykristallijne of monokristallijne structuur, uit glazen, zeven, enz.

Om van een diëlektricum een ​​stabiele elektret te maken, moet het worden verwarmd tot het smeltpunt in een sterk elektrostatisch veld en vervolgens worden afgekoeld zonder het veld uit te schakelen (dergelijke electreten worden thermo-electrets genoemd).

U kunt het monster in een sterk elektrisch veld verlichten en zo foto-elektriciteit produceren. Of bestralen met radioactieve effecten - radio-elektriciteit. Plaats het gewoon in een zeer sterk elektrostatisch veld - je krijgt een elektrolectret. Of in een magnetisch veld - een magneto-elektret. Het stollen van een organische oplossing in een elektrisch veld is cryo-elektret.

Methanol electreten worden verkregen door mechanische vervorming van het polymeer. Door wrijving - tribo-elektriciteit. Corona-elektreetten bevinden zich in het actieveld van de corona-ontlading. Een stabiele oppervlaktelading bereikt op de elektret is in de orde van grootte van 0,00000001 C/cm2.

Elektreten van verschillende oorsprong worden gebruikt als bronnen van constant elektrostatisch veld in trillingssensoren, microfoons, signaalgeneratoren, elektrometers, voltmeters, enz. Ze dienen perfect als gevoelige elementen in dosimeters, geheugenapparaten. Als focusseerinrichtingen in gasfilters, barometers en hygrometers. In het bijzonder worden foto-electrets gebruikt in elektrofotografie.