Dielettrici con proprietà speciali: ferroelettrici ed elettrici

I dielettrici nel senso comune del termine sono sostanze che acquisiscono un momento elettrico sotto l'azione di un campo elettrostatico esterno. Tra i dielettrici, invece, ci sono quelli che esibiscono proprietà del tutto insolite. Questi dielettrici con proprietà speciali includono ferroelettrici e dielettrici. Questi saranno discussi ulteriormente.

Ferroelettrico

La polarizzazione spontanea o spontanea della materia fu scoperta per la prima volta nel 1920 nei cristalli di sale di Rochelle e successivamente in altri cristalli. Tuttavia, in onore del sale di Rochelle, il primo dielettrico aperto a presentare questa proprietà, l'intero gruppo di tali sostanze iniziò a essere chiamato ferroelettrico o ferroelettrico. Nel 1930-1934 fu condotto uno studio dettagliato della polarizzazione spontanea dei dielettrici presso il Dipartimento di fisica di Leningrado sotto la guida di Igor Vasilievich Kurchatov.

Si è scoperto che tutti i ferroelettrici inizialmente dimostrano una pronunciata anisotropia delle proprietà ferroelettriche e la polarizzazione può essere osservata solo lungo uno degli assi del cristallo.I dielettrici isotropi hanno la stessa polarizzazione per tutte le loro molecole, mentre per le sostanze anisotrope i vettori di polarizzazione sono diversi nelle diverse direzioni. Attualmente sono stati scoperti centinaia di ferroelettrici.

I ferroelettrici si distinguono per le seguenti proprietà speciali. La loro costante dielettrica e in un certo intervallo di temperatura è compresa tra 1000 e 10000 e cambia a seconda dell'intensità del campo elettrostatico applicato e cambia anche in modo non lineare. Questa è una manifestazione del cosiddetto Isteresi dielettrica, puoi persino tracciare la curva di polarizzazione di un ferroelettrico: una curva di isteresi.

La curva di isteresi di un ferroelettrico è simile a un ciclo di isteresi per un ferromagnete in un campo magnetico. C'è un punto di saturazione qui, ma puoi anche vedere che anche in assenza di un campo elettrico esterno, quando è uguale a zero, si osserva una certa polarizzazione residua nel cristallo per eliminare la quale dovrebbe essere una forza coercitiva diretta in modo opposto applicato al campione.

I ferroelettrici sono anche caratterizzati da un punto di Curie intrinseco, cioè la temperatura alla quale il ferroelettrico inizia a perdere la sua polarizzazione residua quando si verifica una transizione di fase di secondo ordine. Per il sale di Rochelle, la temperatura del punto di Curie è compresa tra +18 e +24ºC.

La ragione della presenza di proprietà ferroelettriche in un dielettrico è la polarizzazione spontanea risultante dalla forte interazione tra le particelle della sostanza. La sostanza aspira ad un minimo di energia potenziale, mentre a causa della presenza dei cosiddetti difetti strutturali, il cristallo è comunque suddiviso in regioni.

Di conseguenza, quando non c'è campo elettrico esterno, il momento elettrico totale del cristallo è zero, e quando viene applicato un campo elettrico esterno, queste regioni tendono ad orientarsi lungo di esso. I ferroelettrici sono utilizzati nei dispositivi di ingegneria radio come i varicond, condensatori con capacità variabile.

Electreti

I dielettrici sono chiamati dielettrici che possono mantenere uno stato polarizzato per lungo tempo anche dopo che il campo elettrostatico esterno che ha causato la polarizzazione è stato spento. Inizialmente, le molecole dielettriche hanno momenti di dipolo costanti.

Ma se un tale dielettrico viene fuso e quindi viene applicato un forte campo elettrostatico permanente mentre si scioglie, una frazione significativa delle molecole della sostanza fusa sarà orientata in base al campo applicato.Ora la sostanza fusa deve essere raffreddata fino a quando non si solidifica completamente , ma il campo elettrostatico può agire finché la sostanza non si indurisce. Quando la sostanza fusa si è completamente raffreddata, il campo può essere spento.

La rotazione delle molecole nella sostanza solidificata dopo questa procedura sarà difficile, il che significa che le molecole manterranno il loro orientamento. Così sono fatti gli elettricisti, capaci di mantenere uno stato polarizzato da pochi giorni a molti anni. Per la prima volta l'elettrete (thermoelectret) fu realizzato in modo simile dalla cera di carnauba e dalla colofonia dal fisico giapponese Yoguchi, questo accadde nel 1922.

La polarizzazione residua del dielettrico può essere ottenuta orientando i quasi-dipoli nei cristalli mediante la migrazione di particelle cariche agli elettrodi o, ad esempio, iniettando particelle cariche dagli elettrodi o dagli spazi tra gli elettrodi nel dielettrico durante la polarizzazione. I portatori di carica possono essere introdotti artificialmente nel campione, ad esempio mediante irradiazione con fascio di elettroni. Nel tempo, il grado di polarizzazione dell'elettrete diminuisce a causa dei processi di rilassamento e del movimento dei portatori di carica sotto l'influenza del campo elettrico interno dell'elettrete.

In linea di principio, qualsiasi dielettrico può essere convertito in uno stato di elettrete. Gli elettreti più stabili si ottengono da resine e cere, da polimeri e dielettrici inorganici a struttura policristallina o monocristallina, da vetri, setacci, ecc.

Per rendere un dielettrico un elettrete stabile, deve essere riscaldato fino al punto di fusione in un forte campo elettrostatico e quindi raffreddato senza spegnere il campo (tali elettreti sono chiamati termoelettrici).

È possibile illuminare il campione in un forte campo elettrico, producendo così effetti fotoelettrici. O irradiare con effetti radioattivi - radioelettrici. Basta metterlo in un campo elettrostatico molto forte: ottieni un elettrolettro. O in un campo magnetico: un magnetoelettrico. La solidificazione di una soluzione organica in un campo elettrico è cryoelectret.

Gli elettreti di metanolo sono ottenuti per deformazione meccanica del polimero. Per attrito - triboelettrico. Gli elettreti della corona sono nel campo di azione della scarica della corona. Una carica superficiale stabile ottenuta sull'elettrete è dell'ordine di 0,00000001 C/cm2.

Gli elettreti di varia origine sono utilizzati come sorgenti di campo elettrostatico costante in sensori di vibrazioni, microfoni, generatori di segnali, elettrometri, voltmetri, ecc. Servono perfettamente come elementi sensibili in dosimetri, dispositivi di memoria. Come dispositivi di messa a fuoco in filtri per gas, barometri e igrometri. In particolare, i fotoelettrici sono utilizzati nell'elettrofotografia.