Dieléctricos con propiedades especiales — ferroeléctricos y eléctricos

Los dieléctricos en el sentido habitual de la palabra son sustancias que adquieren un momento eléctrico bajo la acción de un campo electrostático externo. Entre los dieléctricos, sin embargo, hay aquellos que exhiben propiedades completamente inusuales. Estos dieléctricos con propiedades especiales incluyen ferroeléctricos y dieléctricos. Estos serán discutidos más adelante.

Ferroelectricos

La polarización espontánea o espontánea de la materia se descubrió por primera vez en 1920 en cristales de sal de Rochelle y más tarde en otros cristales. Sin embargo, en honor a la sal de Rochelle, el primer dieléctrico abierto que presentaba esta propiedad, todo el grupo de dichas sustancias pasó a denominarse ferroeléctricos o ferroeléctricos. En 1930-1934, se llevó a cabo un estudio detallado de la polarización espontánea de los dieléctricos en el Departamento de Física de Leningrado bajo la dirección de Igor Vasilievich Kurchatov.

Resultó que todos los ferroeléctricos muestran inicialmente una anisotropía pronunciada de las propiedades ferroeléctricas, y la polarización se puede observar solo a lo largo de uno de los ejes del cristal.Los dieléctricos isotrópicos tienen la misma polarización para todas sus moléculas, mientras que para las sustancias anisotrópicas, los vectores de polarización son diferentes en diferentes direcciones. Actualmente, se han descubierto cientos de ferroeléctricos.

Los ferroeléctricos se distinguen por las siguientes propiedades especiales. Su constante dieléctrica e en un cierto rango de temperatura está en el rango de 1000 a 10000 y cambia dependiendo de la fuerza del campo electrostático aplicado y también cambia de forma no lineal. Esta es una manifestación de la llamada Histéresis dieléctrica, incluso puede trazar la curva de polarización de un ferroeléctrico: una curva de histéresis.

La curva de histéresis de un ferroeléctrico es similar a un ciclo de histéresis para un ferromagnético en un campo magnético. Aquí hay un punto de saturación, pero también se puede ver que incluso en ausencia de un campo eléctrico externo, cuando es igual a cero, se observa cierta polarización residual en el cristal para eliminar la cual tendría que ser una fuerza coercitiva de dirección opuesta. aplicado a la muestra.

Los ferroeléctricos también se caracterizan por un punto de Curie intrínseco, es decir, la temperatura a la que el ferroeléctrico comienza a perder su polarización residual a medida que se produce una transición de fase de segundo orden. Para la sal de Rochelle, la temperatura del punto Curie está en el rango de +18 a +24ºC.

La razón de la presencia de propiedades ferroeléctricas en un dieléctrico es la polarización espontánea resultante de la fuerte interacción entre las partículas de la sustancia. La sustancia se esfuerza por un mínimo de energía potencial, mientras que debido a la presencia de los llamados defectos estructurales, el cristal se divide de todos modos en regiones.

Como resultado, cuando no hay campo eléctrico externo, el momento eléctrico total del cristal es cero, y cuando se aplica un campo eléctrico externo, estas regiones tienden a orientarse a lo largo de él. Los ferroeléctricos se utilizan en dispositivos de ingeniería de radio como los varicondos, condensadores con capacitancia variable.

electretos

Los dieléctricos se denominan dieléctricos que pueden mantener un estado polarizado durante mucho tiempo incluso después de que se apaga el campo electrostático externo que causó la polarización. Inicialmente, las moléculas dieléctricas tienen momentos dipolares constantes.

Pero si se funde un dieléctrico de este tipo y luego se aplica un fuerte campo electrostático permanente mientras se funde, una fracción significativa de las moléculas de la sustancia fundida se orientará de acuerdo con el campo aplicado. Ahora la sustancia fundida debe enfriarse hasta que se solidifique por completo. , pero se deja actuar el campo electrostático hasta que la sustancia se endurece. Cuando la sustancia fundida se haya enfriado por completo, el campo se puede apagar.

La rotación de las moléculas en la sustancia solidificada después de este procedimiento será difícil, lo que significa que las moléculas conservarán su orientación. Así se hacen los electricistas, capaces de mantener un estado polarizado desde unos pocos días hasta muchos años. Por primera vez, el físico japonés Yoguchi fabricó electret (termoelectret) de manera similar a partir de cera de carnauba y colofonia, esto sucedió en 1922.

La polarización residual del dieléctrico se puede obtener orientando cuasi-dipolos en cristales mediante la migración de partículas cargadas a los electrodos o, por ejemplo, inyectando partículas cargadas desde los electrodos o desde espacios entre electrodos en el dieléctrico durante la polarización. Los portadores de carga se pueden introducir artificialmente en la muestra, por ejemplo mediante irradiación con haz de electrones. Con el tiempo, el grado de polarización del electreto disminuye debido a los procesos de relajación y al movimiento de los portadores de carga bajo la influencia del campo eléctrico interno del electreto.

En principio, cualquier dieléctrico se puede convertir a un estado de electreto. Los electretos más estables se obtienen a partir de resinas y ceras, de polímeros y dieléctricos inorgánicos de estructura policristalina o monocristalina, de vidrios, tamices, etc.

Para convertir un dieléctrico en un electreto estable, debe calentarse hasta el punto de fusión en un fuerte campo electrostático y luego enfriarse sin apagar el campo (este tipo de electretos se denominan termoelectros).

Puede iluminar la muestra en un fuerte campo eléctrico, produciendo así fotoeléctricos. O irradiar con efectos radiactivos: radioeléctricos. Simplemente colóquelo en un campo electrostático muy fuerte: obtiene un electrolectret. O en un campo magnético: un magnetoelectreto. La solidificación de una solución orgánica en un campo eléctrico es crioelectret.

Los electretos de metanol se obtienen por deformación mecánica del polímero. Por fricción - triboeléctricos. Los electretos de corona se encuentran en el campo de acción de la descarga de corona. Una carga superficial estable lograda en el electreto es del orden de 0,00000001 C/cm2.

Los electretos de diversos orígenes se utilizan como fuentes de campo electrostático constante en sensores de vibración, micrófonos, generadores de señales, electrómetros, voltímetros, etc. Sirven perfectamente como elementos sensibles en dosímetros, dispositivos de memoria. Como dispositivos de enfoque en filtros de gas, barómetros e higrómetros. En particular, los fotoelectrettos se utilizan en electrofotografía.