Диэлектрики в обычном понимании слова — это вещества, приобретающие электрический момент под действием внешнего электростатического поля. Однако среди диэлектриков существуют и такие, которые проявляют совершенно необычные свойства. К таким диэлектрикам с особенными свойствами относятся сегнетоэлектрики и электреты.
Сегнетоэлектрики и электреты - это два класса материалов, которые имеют связанные с электрическим полем свойства.
Сегнетоэлектрики - это твердые диэлектрики, которые обладают спонтанной поляризацией в определенном интервале температур. Поляризация может быть переориентирована приложением внешнего электрического поля.
Сегнетоэлектрики демонстрируют гистерезис, пьезоэффект, пироэффект и другие явления. Сегнетоэлектрики применяются в современных приборах, таких как конденсаторы, память, датчики, преобразователи и т.д.
Примеры сегнетоэлектриков - это титанат бария, цирконат-титанат свинца, ниобат калия и другие.
Электреты - это диэлектрики, которые имеют постоянную поляризацию или заряд, полученную в результате воздействия электрического поля, тепла, радиации или других факторов.
Электреты сохраняют свою поляризацию или заряд в течение длительного времени. Электреты используются в микрофонах, генераторах, датчиках и т.д.
Примеры электретов - это парафин, поливинилхлорид, политетрафторэтилен и другие.
Если вы хотите узнать больше о сегнетоэлектриках и электретах, читайте нашу статью.
Сегнетоэлектрики
Самопроизвольная или спонтанная поляризация вещества впервые была открыта в 1920 году у кристаллов сегнетовой соли, а позже и у других кристаллов. Однако в честь сегнетовой соли — первого открытого диэлектрика, проявившего данное свойство, всю группу подобных веществ стали назвать сегнетоэлектриками или ферроэлектриками. В 1930-1934 годах подробное исследование спонтанной поляризации диэлектриков было проведено на ленинградском физическом факультете под руководством Игоря Васильевича Курчатова.
Выяснилось, что все сегнетоэлектрики изначально демонстрируют ярко выраженную анизотропию сегнетоэлектрических свойств, и поляризацию можно наблюдать лишь вдоль одной из осей кристалла. Изотропные диэлектрики имеют одинаковую поляризацию у всех своих молекул, тогда как у анизотропных веществ вектора поляризации в разных направлениях различны. На данный момент открыты сотни сегнетоэлектриков.
Сегнетоэлектрики отличаются следующими особыми свойствами. Их диэлектрическая проницаемость в определенном интервале температур находится в пределах от 1000 до 10000, причем она изменяется в зависимости от величины напряженности приложенного электростатического поля, да изменяется к тому же нелинейно. Это проявление так называемого диэлектрического гистерезиса, можно даже изобразить кривую поляризации сегнетоэлектрика — кривую гистерезиса.
Кривая гистерезиса сегнетоэлектрика подобна петле гистерезиса для ферромагнетика в магнитном поле. Здесь есть точка насыщения, но также можно видеть, что даже в отсутствие внешнего электрического поля, когда оно равно нулю, в кристалле наблюдается определенная остаточная поляризованность, для устранения которой придется приложить к образцу противоположно направленную коэрцитивную силу.
Для сегнетоэлектриков характерна и собственная точка Кюри, то есть та температура, при которой сегнетоэлектрик начинает терять свою остаточную поляризованность, при этом протекает фазовый переход второго рода. Для сегнетовой соли температура точки Кюри находится в интервале от +18 до +24оС.
Причина наличия у диэлектрика сегнетоэлектрических свойств — спонтанная поляризация, возникающая из-за сильного взаимодействия между частицами вещества. Вещество стремится к минимуму потенциальной энергии, при этом из-за наличия так называемых дефектов структуры, кристалл как-бы разделен на домены.
В результате когда внешнего электрического поля нет, суммарный электрический импульс кристалла равен нулю, а когда накладывается внешнее электрическое поле, данные домены стремятся сориентироваться вдоль него. Сегнетоэлектрики находят применение в радиотехнических приборах, таких как вариконды — конденсаторы с переменной емкостью.
Электреты
Электретами называют диэлектрики, способные сохранять поляризованное состояние в течение продолжительного времени даже после того, как внешнее электростатическое поле, вызвавшее поляризацию, отключено. Изначально молекулы диэлектрика обладают постоянными дипольными моментами.
Но если такой диэлектрик расплавить, а затем включить сильное постоянное электростатическое поле, пока он расплавлен, то значительная часть молекул расплавленного вещества сориентируется по приложенному полю. Теперь расплавленное вещество следует охладить до полного затвердевания, но электростатическое поле оставить действовать до тех пор, пока вещество не затвердеет. Когда расплавленное вещество полностью остынет, поле можно отключить.
Поворот молекул, в затвердевшем после данной процедуры веществе, будет затруднен, это значит, что молекулы сохранят совою ориентацию. Так изготавливают электреты, способные сохранять поляризованное состояние от нескольких дней до многих лет. Впервые электрет (термоэлектрет) подобным образом изготовил из карнаубского воска и канифоли японский физик Ёгути, это произошло в 1922 году.
Остаточную поляризацию диэлектрика можно получить путем ориентации квазидиполей в кристаллах за счет миграции заряженных частиц в сторону электродов или, например, с помощью инжекции заряженных частиц из электродов либо из межэлектродных промежутков — в диэлектрик в процессе поляризации. Носители заряда можно ввести в образец искусственно, к примеру при помощи облучения пучком электронов. Со временем степень поляризованности электрета снижается из-за релаксационных процессов и перемещения носителей заряда под действием внутреннего электрического поля электрета.
В принципе любые диэлектрики можно перевести в состояние электрета. Наиболее стабильные электреты получаются из смол и восков, из полимеров и неорганических диэлектриков поликристаллической или монокристаллической структуры, из стекол, ситаллов и т. д.
Чтобы сделать диэлектрик стабильным электретом, его необходимо разогреть до температуры плавления в сильном электростатическом поле, а после — охладить, не отключая поля (такие электреты называются термоэлектретами).
Можно освещать образец в сильном электрическом поле, так получают фотоэлектреты. Или облучать радиоактивным действием — радиоэлектреты. Просто поместить в очень сильное электростатическое поле — получится электроэлектрет. Или в магнитное поле — магнетоэлектрет. Застывание органического раствора в электрическом поле — криоэлектрет.
Механической деформацией полимера получают механолэлектреты. Трением — трибоэлектреты. В поле действия коронного разряда — коронноэлектреты. Стабильный поверхностный заряд, достигаемый на электрете, имеет порядок 0,00000001 Кл/кв.см.
Электреты различного происхождения находят применение в качестве источников постоянного электростатического поля в вибродатчиках, микрофонах, генераторах сигналов, электрометрах, вольтметрах и т. д. Они отлично служат чувствительными элементами в дозиметрах, устройствах памяти. Как устройства фокусировки в газовых фильтрах, барометрах и гигрометрах. Конкретно фотоэлектреты находят применение в электрофотографии.
Андрей Повный