Diélectriques à propriétés particulières — ferroélectriques et électriques

Les diélectriques au sens habituel du terme sont des substances qui acquièrent un moment électrique sous l'action d'un champ électrostatique externe. Parmi les diélectriques, cependant, il y a ceux qui présentent des propriétés tout à fait inhabituelles. Ces diélectriques aux propriétés particulières comprennent les ferroélectriques et les diélectriques. Ceux-ci seront discutés plus loin.

Ferroélectriques

La polarisation spontanée ou spontanée de la matière a été découverte pour la première fois en 1920 dans les cristaux de sel de Rochelle et plus tard dans d'autres cristaux. Cependant, en l'honneur du sel de Rochelle, le premier diélectrique ouvert présentant cette propriété, l'ensemble du groupe de ces substances a commencé à être appelé ferroélectriques ou ferroélectriques. En 1930-1934, une étude détaillée de la polarisation spontanée des diélectriques a été menée au Département de physique de Leningrad sous la direction d'Igor Vasilievich Kurchatov.

Il s'est avéré que tous les ferroélectriques présentent initialement une anisotropie prononcée des propriétés ferroélectriques et que la polarisation ne peut être observée que le long d'un seul des axes cristallins.Les diélectriques isotropes ont la même polarisation pour toutes leurs molécules, tandis que pour les substances anisotropes, les vecteurs de polarisation sont différents dans différentes directions. Actuellement, des centaines de ferroélectriques ont été découverts.

Les ferroélectriques se distinguent par les propriétés spéciales suivantes. Leur constante diélectrique e dans une certaine plage de température est comprise entre 1000 et 10000 et change en fonction de la force du champ électrostatique appliqué et change également de manière non linéaire. C'est une manifestation de la soi-disant Hystérésis diélectrique, vous pouvez même tracer la courbe de polarisation d'un ferroélectrique, une courbe d'hystérésis.

La courbe d'hystérésis d'un ferroélectrique est similaire à une boucle d'hystérésis pour un ferromagnétique dans un champ magnétique. Il y a un point de saturation ici, mais vous pouvez également voir que même en l'absence d'un champ électrique externe, lorsqu'il est égal à zéro, une certaine polarisation résiduelle est observée dans le cristal pour éliminer ce qu'une force coercitive de direction opposée devrait être appliquée à l'échantillon.

Les ferroélectriques sont également caractérisés par un point de Curie intrinsèque, c'est-à-dire la température à laquelle le ferroélectrique commence à perdre sa polarisation résiduelle lorsqu'une transition de phase de second ordre se produit. Pour le sel de Rochelle, la température du point de Curie est comprise entre +18 et +24°C.

La raison de la présence de propriétés ferroélectriques dans un diélectrique est la polarisation spontanée résultant de la forte interaction entre les particules de la substance. La substance s'efforce d'obtenir un minimum d'énergie potentielle, alors qu'en raison de la présence de défauts dits structuraux, le cristal est de toute façon divisé en régions.

Par conséquent, lorsqu'il n'y a pas de champ électrique externe, la quantité de mouvement électrique totale du cristal est nulle, et lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, ces régions ont tendance à s'orienter le long de celui-ci. Les ferroélectriques sont utilisés dans les dispositifs d'ingénierie radio tels que les variconds - des condensateurs à capacité variable.

Électrets

Les diélectriques sont appelés diélectriques qui peuvent maintenir un état polarisé pendant une longue période même après que le champ électrostatique externe qui a provoqué la polarisation est désactivé. Initialement, les molécules diélectriques ont des moments dipolaires constants.

Mais si un tel diélectrique est fondu et qu'un fort champ électrostatique permanent est appliqué pendant qu'il fond, une fraction importante des molécules de la substance fondue sera orientée en fonction du champ appliqué.Maintenant, la substance fondue doit être refroidie jusqu'à ce qu'elle se solidifie complètement. , mais le champ électrostatique est autorisé à agir jusqu'à ce que la substance durcisse. Lorsque la substance fondue s'est complètement refroidie, le champ peut être désactivé.

La rotation des molécules dans la substance solidifiée après cette procédure sera difficile, ce qui signifie que les molécules conserveront leur orientation. C'est ainsi que sont faits les électriciens, capables de maintenir un état polarisé de quelques jours à plusieurs années. Pour la première fois, l'électret (thermoélectret) a été fabriqué de manière similaire à partir de cire de carnauba et de colophane par le physicien japonais Yoguchi, cela s'est produit en 1922.

La polarisation résiduelle du diélectrique peut être obtenue en orientant des quasi-dipôles dans des cristaux en faisant migrer des particules chargées vers les électrodes ou, par exemple, en injectant des particules chargées à partir d'électrodes ou d'espaces interélectrodes dans le diélectrique lors de la polarisation. Des porteurs de charge peuvent être introduits artificiellement dans l'échantillon, par exemple par irradiation par faisceau d'électrons. Au fil du temps, le degré de polarisation de l'électret diminue en raison des processus de relaxation et du mouvement des porteurs de charge sous l'influence du champ électrique interne de l'électret.

En principe, tout diélectrique peut être converti en un état électret. Les électrets les plus stables sont obtenus à partir de résines et de cires, de polymères et de diélectriques inorganiques à structure polycristalline ou monocristalline, de verres, de tamis, etc.

Pour faire d'un diélectrique un électret stable, il doit être chauffé au point de fusion dans un fort champ électrostatique puis refroidi sans éteindre le champ (ces électrets sont appelés thermoélectrets).

Vous pouvez éclairer l'échantillon dans un champ électrique puissant, produisant ainsi des photoélectriques. Ou irradier avec des effets radioactifs - radioélectriques. Mettez-le simplement dans un champ électrostatique très puissant - vous obtenez un électrolectret. Ou dans un champ magnétique — un magnétoélectret. La solidification d'une solution organique dans un champ électrique est le cryoélectret.

Les électrets de méthanol sont obtenus par déformation mécanique du polymère. Par friction - triboélectriques. Les électrets corona sont dans le champ d'action de la décharge corona. Une charge de surface stable obtenue sur l'électret est de l'ordre de 0,00000001 C/cm2.

Les électrets d'origines diverses sont utilisés comme sources de champ électrostatique constant dans les capteurs de vibrations, les microphones, les générateurs de signaux, les électromètres, les voltmètres, etc. Ils servent parfaitement d'éléments sensibles dans les dosimètres, les dispositifs de mémoire. En tant que dispositifs de focalisation dans les filtres à gaz, les baromètres et les hygromètres. En particulier, les photoélectrets sont utilisés en électrophotographie.