Διηλεκτρικά με ειδικές ιδιότητες — σιδηροηλεκτρικά και ηλεκτρικά

Τα διηλεκτρικά με τη συνήθη έννοια της λέξης είναι ουσίες που αποκτούν ηλεκτρική ροπή υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτροστατικού πεδίου. Μεταξύ των διηλεκτρικών, ωστόσο, υπάρχουν και εκείνα που παρουσιάζουν εντελώς ασυνήθιστες ιδιότητες. Αυτά τα διηλεκτρικά με ειδικές ιδιότητες περιλαμβάνουν τα σιδηροηλεκτρικά και τα διηλεκτρικά. Αυτά θα συζητηθούν περαιτέρω.

Σιδηροηλεκτρικά

Η αυθόρμητη ή αυθόρμητη πόλωση της ύλης ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1920 στους κρυστάλλους αλατιού Rochelle και αργότερα σε άλλους κρυστάλλους. Ωστόσο, προς τιμήν του αλατιού Rochelle, του πρώτου ανοιχτού διηλεκτρικού που παρουσίαζε αυτή την ιδιότητα, ολόκληρη η ομάδα τέτοιων ουσιών άρχισε να ονομάζεται σιδηροηλεκτρικά ή σιδηροηλεκτρικά. Το 1930-1934, διεξήχθη λεπτομερής μελέτη της αυθόρμητης πόλωσης των διηλεκτρικών στο Τμήμα Φυσικής του Λένινγκραντ υπό την ηγεσία του Igor Vasilievich Kurchatov.

Αποδείχθηκε ότι όλα τα σιδηροηλεκτρικά αρχικά επιδεικνύουν μια έντονη ανισοτροπία των σιδηροηλεκτρικών ιδιοτήτων και η πόλωση μπορεί να παρατηρηθεί μόνο κατά μήκος ενός από τους άξονες των κρυστάλλων.Τα ισοτροπικά διηλεκτρικά έχουν την ίδια πόλωση για όλα τα μόριά τους, ενώ για τις ανισότροπες ουσίες, οι φορείς πόλωσης είναι διαφορετικοί σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Επί του παρόντος, έχουν ανακαλυφθεί εκατοντάδες σιδηροηλεκτρικά.

Τα σιδηροηλεκτρικά διακρίνονται από τις ακόλουθες ειδικές ιδιότητες. Η διηλεκτρική τους σταθερά e σε ένα ορισμένο εύρος θερμοκρασίας κυμαίνεται από 1000 έως 10000 και μεταβάλλεται ανάλογα με την ισχύ του εφαρμοζόμενου ηλεκτροστατικού πεδίου και επίσης μεταβάλλεται μη γραμμικά. Αυτή είναι μια εκδήλωση του λεγόμενου Διηλεκτρική υστέρηση, μπορείτε ακόμη και να σχεδιάσετε την καμπύλη πόλωσης ενός σιδηροηλεκτρικού - μια καμπύλη υστέρησης.

Η καμπύλη υστέρησης ενός σιδηροηλεκτρικού είναι παρόμοια με έναν βρόχο υστέρησης για έναν σιδηρομαγνήτη σε ένα μαγνητικό πεδίο. Υπάρχει ένα σημείο κορεσμού εδώ, αλλά μπορείτε επίσης να δείτε ότι ακόμη και απουσία εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, όταν είναι ίσο με μηδέν, παρατηρείται κάποια υπολειπόμενη πόλωση στον κρύσταλλο για να εξαλειφθεί η οποία θα έπρεπε να ασκηθεί μια αντίθετα κατευθυνόμενη καταναγκαστική δύναμη εφαρμόζεται στο δείγμα.

Τα σιδηροηλεκτρικά χαρακτηρίζονται επίσης από ένα εγγενές σημείο Curie, δηλαδή τη θερμοκρασία στην οποία το σιδηροηλεκτρικό αρχίζει να χάνει την υπολειπόμενη πόλωση του καθώς συμβαίνει μια μετάβαση φάσης δεύτερης τάξης. Για το αλάτι Rochelle, η θερμοκρασία του σημείου Κιουρί κυμαίνεται από +18 έως +24ºC.

Ο λόγος για την παρουσία σιδηροηλεκτρικών ιδιοτήτων σε ένα διηλεκτρικό είναι η αυθόρμητη πόλωση που προκύπτει από την ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων της ουσίας. Η ουσία προσπαθεί για μια ελάχιστη δυναμική ενέργεια, ενώ λόγω της παρουσίας των λεγόμενων δομικών ελαττωμάτων, ο κρύσταλλος ούτως ή άλλως χωρίζεται σε περιοχές.

Ως αποτέλεσμα, όταν δεν υπάρχει εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, η συνολική ηλεκτρική ορμή του κρυστάλλου είναι μηδέν, και όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, αυτές οι περιοχές τείνουν να προσανατολίζονται κατά μήκος του. Τα σιδηροηλεκτρικά χρησιμοποιούνται σε συσκευές ραδιομηχανικής όπως τα variconds — πυκνωτές με μεταβλητή χωρητικότητα.

Ηλεκτρικά

Τα διηλεκτρικά ονομάζονται διηλεκτρικά που μπορούν να διατηρήσουν μια πολωμένη κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα ακόμη και μετά την απενεργοποίηση του εξωτερικού ηλεκτροστατικού πεδίου που προκάλεσε την πόλωση. Αρχικά, τα διηλεκτρικά μόρια έχουν σταθερές διπολικές ροπές.

Αλλά εάν ένα τέτοιο διηλεκτρικό λιώσει και στη συνέχεια εφαρμοστεί ένα ισχυρό μόνιμο ηλεκτροστατικό πεδίο ενώ λιώνει, ένα σημαντικό κλάσμα των μορίων της τηγμένης ουσίας θα προσανατολιστεί σύμφωνα με το εφαρμοζόμενο πεδίο.Τώρα η λιωμένη ουσία πρέπει να ψυχθεί μέχρι να στερεοποιηθεί πλήρως , αλλά το ηλεκτροστατικό πεδίο αφήνεται να δράσει μέχρι να σκληρύνει η ουσία. Όταν η λιωμένη ουσία κρυώσει εντελώς, το πεδίο μπορεί να απενεργοποιηθεί.

Η περιστροφή των μορίων στην ουσία που στερεοποιείται μετά από αυτή τη διαδικασία θα είναι δύσκολη, πράγμα που σημαίνει ότι τα μόρια θα διατηρήσουν τον προσανατολισμό τους. Έτσι φτιάχνονται οι ηλεκτρολόγοι, ικανοί να διατηρήσουν μια πολωμένη κατάσταση από λίγες μέρες έως πολλά χρόνια. Για πρώτη φορά το electret (θερμοηλεκτρέτ) κατασκευάστηκε με παρόμοιο τρόπο από κερί καρναούμπα και κολοφώνιο από τον Ιάπωνα φυσικό Yoguchi, αυτό συνέβη το 1922.

Η υπολειπόμενη πόλωση του διηλεκτρικού μπορεί να επιτευχθεί με προσανατολισμό οιονεί διπόλων σε κρυστάλλους με μετανάστευση φορτισμένων σωματιδίων στα ηλεκτρόδια ή, για παράδειγμα, με έγχυση φορτισμένων σωματιδίων από ηλεκτρόδια ή από κενά μεταξύ ηλεκτροδίων στο διηλεκτρικό κατά τη διάρκεια της πόλωσης. Οι φορείς φορτίου μπορούν να εισαχθούν στο δείγμα τεχνητά, για παράδειγμα με ακτινοβολία δέσμης ηλεκτρονίων. Με την πάροδο του χρόνου, ο βαθμός πόλωσης του ηλεκτρικού μειώνεται λόγω των διεργασιών χαλάρωσης και της κίνησης των φορέων φορτίου υπό την επίδραση του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου του ηλεκτρικού.

Κατ' αρχήν, οποιοδήποτε διηλεκτρικό μπορεί να μετατραπεί σε κατάσταση ηλεκτρέτρου. Τα πιο σταθερά ηλεκτρίδια λαμβάνονται από ρητίνες και κεριά, από πολυμερή και ανόργανα διηλεκτρικά με πολυκρυσταλλική ή μονοκρυσταλλική δομή, από ποτήρια, κόσκινα κ.λπ.

Για να γίνει ένα διηλεκτρικό σταθερό ηλεκτρικό, πρέπει να θερμανθεί μέχρι το σημείο τήξης σε ένα ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο και στη συνέχεια να ψυχθεί χωρίς να σβήσει το πεδίο (τέτοια ηλεκτρικά ονομάζονται θερμοηλεκτρικά).

Μπορείτε να φωτίσετε το δείγμα σε ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, παράγοντας έτσι φωτοηλεκτρικά. Ή ακτινοβολήστε με ραδιενεργά αποτελέσματα — ραδιοηλεκτρικά. Απλώς βάλτε το σε ένα πολύ ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο — παίρνετε ένα ηλεκτροηλεκτρόμετρο. Ή σε ένα μαγνητικό πεδίο - ένα μαγνητοηλεκτρικό. Η στερεοποίηση ενός οργανικού διαλύματος σε ηλεκτρικό πεδίο είναι κρυοηλεκτρισμός.

Τα ηλεκτρίδια μεθανόλης λαμβάνονται με μηχανική παραμόρφωση του πολυμερούς. Μέσω τριβής - τριβοηλεκτρικών. Τα ηλεκτροφόρα κορώνα βρίσκονται στο πεδίο δράσης της εκκένωσης κορώνας. Ένα σταθερό επιφανειακό φορτίο που επιτυγχάνεται στο ηλεκτρέτ είναι της τάξης του 0,00000001 C/cm2.

Τα ηλεκτρόδια διαφόρων προελεύσεων χρησιμοποιούνται ως πηγές σταθερού ηλεκτροστατικού πεδίου σε αισθητήρες κραδασμών, μικρόφωνα, γεννήτριες σημάτων, ηλεκτρόμετρα, βολτόμετρα κ.λπ. Λειτουργούν τέλεια ως ευαίσθητα στοιχεία σε δοσίμετρα, συσκευές μνήμης. Ως συσκευές εστίασης σε φίλτρα αερίου, βαρόμετρα και υγρόμετρα. Συγκεκριμένα, τα φωτοηλεκτρικά χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροφωτογραφία.