Dielektrika mit besonderen Eigenschaften – Ferroelektrika und Elektrika

Dielektrika im herkömmlichen Sinne sind Stoffe, die unter Einwirkung eines äußeren elektrostatischen Feldes ein elektrisches Moment annehmen. Unter den Dielektrika gibt es jedoch solche, die völlig ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Zu diesen Dielektrika mit besonderen Eigenschaften zählen Ferroelektrika und Dielektrika. Diese werden weiter besprochen.

Ferroelektrika

Die spontane oder spontane Polarisation von Materie wurde erstmals 1920 in Rochelle-Salzkristallen und später in anderen Kristallen entdeckt. Zu Ehren des Rochelle-Salzes, dem ersten offenen Dielektrikum mit dieser Eigenschaft, wurde die gesamte Gruppe dieser Substanzen jedoch Ferroelektrika oder Ferroelektrika genannt. In den Jahren 1930–1934 wurde am Leningrader Physikinstitut unter der Leitung von Igor Wassiljewitsch Kurtschatow eine detaillierte Untersuchung der spontanen Polarisation von Dielektrika durchgeführt.

Es stellte sich heraus, dass alle Ferroelektrika zunächst eine ausgeprägte Anisotropie der ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen und eine Polarisation nur entlang einer der Kristallachsen beobachtet werden kann.Isotrope Dielektrika haben für alle ihre Moleküle die gleiche Polarisation, während bei anisotropen Stoffen die Polarisationsvektoren in verschiedenen Richtungen unterschiedlich sind. Derzeit wurden Hunderte von Ferroelektrika entdeckt.

Ferroelektrika zeichnen sich durch folgende besondere Eigenschaften aus. Ihre Dielektrizitätskonstante e liegt in einem bestimmten Temperaturbereich im Bereich von 1000 bis 10000 und ändert sich in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten elektrostatischen Feldes und auch nichtlinear. Dies ist eine Manifestation des sogenannten Dielektrische Hysterese: Sie können sogar die Polarisationskurve eines Ferroelektrikums zeichnen – eine Hysteresekurve.

Die Hysteresekurve eines Ferroelektrikums ähnelt einer Hystereseschleife für einen Ferromagneten in einem Magnetfeld. Hier gibt es einen Sättigungspunkt, aber Sie können auch sehen, dass selbst in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes, wenn es gleich Null ist, eine gewisse Restpolarisation im Kristall beobachtet wird, um diese zu beseitigen, die eine entgegengesetzt gerichtete Koerzitivkraft sein müsste auf die Probe aufgetragen.

Ferroelektrika zeichnen sich außerdem durch einen intrinsischen Curie-Punkt aus, d. h. die Temperatur, bei der das Ferroelektrikum beginnt, seine Restpolarisation zu verlieren, wenn ein Phasenübergang zweiter Ordnung auftritt. Für Rochelle-Salz liegt die Curie-Punkt-Temperatur im Bereich von +18 bis +24 °C.

Der Grund für das Vorhandensein ferroelektrischer Eigenschaften in einem Dielektrikum ist die spontane Polarisation, die aus der starken Wechselwirkung zwischen den Partikeln des Stoffes resultiert. Der Stoff strebt nach einem Minimum an potentieller Energie, während der Kristall aufgrund des Vorhandenseins sogenannter Strukturdefekte ohnehin in Bereiche unterteilt ist.

Wenn kein äußeres elektrisches Feld vorhanden ist, ist der gesamte elektrische Impuls des Kristalls daher Null, und wenn ein äußeres elektrisches Feld angelegt wird, neigen diese Bereiche dazu, sich entlang dieses Feldes auszurichten. Ferroelektrika werden in funktechnischen Geräten wie Variconds – Kondensatoren mit variabler Kapazität – verwendet.

Elektrete

Als Dielektrika werden Dielektrika bezeichnet, die einen polarisierten Zustand auch nach dem Abschalten des externen elektrostatischen Feldes, das die Polarisation verursacht hat, noch lange aufrechterhalten können. Dielektrische Moleküle haben zunächst konstante Dipolmomente.

Wenn jedoch ein solches Dielektrikum geschmolzen wird und während des Schmelzens ein starkes permanentes elektrostatisches Feld angelegt wird, wird ein erheblicher Teil der Moleküle der geschmolzenen Substanz entsprechend dem angelegten Feld ausgerichtet. Nun muss die geschmolzene Substanz abgekühlt werden, bis sie vollständig erstarrt , aber das elektrostatische Feld darf so lange wirken, bis die Substanz aushärtet. Wenn die geschmolzene Substanz vollständig abgekühlt ist, kann das Feld ausgeschaltet werden.

Die Rotation der Moleküle in der nach diesem Vorgang erstarrten Substanz wird erschwert, was bedeutet, dass die Moleküle ihre Orientierung behalten. Auf diese Weise werden Elektriker hergestellt, die in der Lage sind, einen polarisierten Zustand von einigen Tagen bis zu vielen Jahren aufrechtzuerhalten. Elektret (Thermoelektret) wurde erstmals 1922 vom japanischen Physiker Yoguchi auf ähnliche Weise aus Carnaubawachs und Kolophonium hergestellt.

Eine Restpolarisierung des Dielektrikums kann durch die Ausrichtung von Quasi-Dipolen in Kristallen durch Wanderung geladener Teilchen zu den Elektroden oder beispielsweise durch Injektion geladener Teilchen von Elektroden oder aus Zwischenelektrodenspalten in das Dielektrikum während der Polarisation erreicht werden. Ladungsträger können künstlich in die Probe eingebracht werden, beispielsweise durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen. Mit der Zeit nimmt der Polarisationsgrad des Elektret aufgrund von Relaxationsprozessen und der Bewegung von Ladungsträgern unter dem Einfluss des inneren elektrischen Feldes des Elektret ab.

Grundsätzlich kann jedes Dielektrikum in einen Elektretzustand überführt werden. Die stabilsten Elektrete werden aus Harzen und Wachsen, aus Polymeren und anorganischen Dielektrika mit polykristalliner oder monokristalliner Struktur, aus Gläsern, Sieben usw. gewonnen.

Um aus einem Dielektrikum ein stabiles Elektret zu machen, muss es in einem starken elektrostatischen Feld bis zum Schmelzpunkt erhitzt und dann abgekühlt werden, ohne das Feld auszuschalten (solche Elektrete werden Thermoelektrete genannt).

Sie können die Probe in einem starken elektrischen Feld beleuchten und so Photoelektrika erzeugen. Oder mit radioaktiven Effekten bestrahlen – Radioelektrika. Legen Sie es einfach in ein sehr starkes elektrostatisches Feld – Sie erhalten ein Elektrolektret. Oder in einem Magnetfeld – einem Magnetoelektret. Die Verfestigung einer organischen Lösung in einem elektrischen Feld ist Kryoelektret.

Methanolelektrete werden durch mechanische Verformung des Polymers gewonnen. Durch Reibung – Triboelektrizität. Corona-Elektrete liegen im Wirkungsbereich der Corona-Entladung. Eine auf dem Elektret erreichte stabile Oberflächenladung liegt in der Größenordnung von 0,00000001 C/cm2.

Elektrete unterschiedlicher Herkunft werden als Quellen konstanter elektrostatischer Felder in Vibrationssensoren, Mikrofonen, Signalgeneratoren, Elektrometern, Voltmetern usw. verwendet. Sie dienen perfekt als empfindliche Elemente in Dosimetern und Speichergeräten. Als Fokussiergeräte in Gasfiltern, Barometern und Hygrometern. Photoelektrete werden insbesondere in der Elektrofotografie eingesetzt.