ไดอิเล็กทริกที่มีคุณสมบัติพิเศษ — เฟอร์โรอิเล็กทริกและไฟฟ้า

ไดอิเล็กทริกในความหมายปกติของคำคือสารที่ได้รับโมเมนต์ไฟฟ้าภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าสถิตภายนอก อย่างไรก็ตาม ในบรรดาไดอิเล็กตริกนั้น มีคุณสมบัติที่ผิดปกติอย่างสิ้นเชิง ไดอิเล็กตริกที่มีคุณสมบัติพิเศษเหล่านี้ ได้แก่ เฟอร์โรอิเล็กทริกและไดอิเล็กตริก สิ่งเหล่านี้จะกล่าวถึงต่อไป

เฟอร์โรอิเล็กทริก

โพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองหรือเกิดขึ้นเองของสสารถูกค้นพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 2463 ในผลึกเกลือ Rochelle และต่อมาในผลึกอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เพื่อเป็นเกียรติแก่เกลือ Rochelle ซึ่งเป็นไดอิเล็กตริกแบบเปิดตัวแรกที่แสดงคุณสมบัตินี้ สารทั้งกลุ่มจึงเริ่มถูกเรียกว่าเฟอร์โรอิเล็กทริกหรือเฟอร์โรอิเล็กทริก ในปี พ.ศ. 2473-2477 การศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองของไดอิเล็กตริกได้ดำเนินการที่แผนกฟิสิกส์เลนินกราดภายใต้การนำของ Igor Vasilievich Kurchatov

ปรากฎว่าในขั้นต้นเฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมดแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติแอนไอโซโทรปีของเฟอร์โรอิเล็กตริกที่เด่นชัด และโพลาไรเซชันสามารถสังเกตได้จากแกนคริสตัลเพียงแกนเดียวเท่านั้นไอโซโทรปิกไดอิเล็กตริกมีโพลาไรเซชันเหมือนกันสำหรับโมเลกุลทั้งหมดของพวกมัน ในขณะที่สำหรับสารแอนไอโซโทรปิก เวกเตอร์ของโพลาไรเซชันจะแตกต่างกันในทิศทางที่ต่างกัน ปัจจุบันมีการค้นพบเฟอร์โรอิเล็กทริกหลายร้อยตัว

เฟอร์โรอิเล็กทริกมีคุณสมบัติพิเศษดังต่อไปนี้ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก e ในช่วงอุณหภูมิหนึ่งอยู่ในช่วง 1,000 ถึง 10,000 และเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความแรงของสนามไฟฟ้าสถิตที่ใช้ และยังเปลี่ยนแปลงแบบไม่เชิงเส้น นี่คือการแสดงออกของสิ่งที่เรียกว่า ไดอิเล็กทริกฮิสเทรีซิส คุณยังสามารถพล็อตเส้นโค้งโพลาไรเซชันของเฟอโรอิเล็กทริก—เส้นโค้งฮิสเทรีซิสได้

เส้นโค้งฮิสเทรีซิสของเฟอร์โรอิเล็กทริกนั้นคล้ายกับลูปฮิสเทรีซิสสำหรับเฟอร์โรแมกเนติกในสนามแม่เหล็ก มีจุดอิ่มตัวที่นี่ แต่คุณยังเห็นได้ว่าแม้ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก เมื่อมีค่าเท่ากับศูนย์ ก็จะสังเกตเห็นโพลาไรเซชันที่เหลืออยู่ในผลึกเพื่อกำจัดแรงบีบบังคับที่ตรงข้ามกัน นำไปใช้กับตัวอย่าง

เฟอโรอิเล็กทริกยังมีลักษณะเฉพาะด้วยจุดคูรีภายใน นั่นคือ อุณหภูมิที่เฟอร์โรอิเล็กตริกเริ่มสูญเสียโพลาไรเซชันที่เหลือเมื่อเกิดการเปลี่ยนเฟสอันดับสอง สำหรับเกลือ Rochelle อุณหภูมิ Curie point อยู่ในช่วง +18 ถึง +24ºC

สาเหตุของการมีคุณสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริกในไดอิเล็กตริกคือโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองซึ่งเป็นผลมาจากอันตรกิริยาที่รุนแรงระหว่างอนุภาคของสาร สารนี้พยายามหาพลังงานศักย์ให้น้อยที่สุด ในขณะที่เนื่องจากมีสิ่งที่เรียกว่าข้อบกพร่องของโครงสร้าง คริสตัลจึงถูกแบ่งออกเป็นส่วนๆ

ผลก็คือ เมื่อไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก โมเมนตัมไฟฟ้าทั้งหมดของคริสตัลจะเป็นศูนย์ และเมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอก บริเวณเหล่านี้มักจะปรับทิศทางไปตามนั้น เฟอร์โรอิเล็กทริกใช้ในอุปกรณ์วิศวกรรมวิทยุ เช่น วาริคอนด์ — ตัวเก็บประจุที่มีความจุแปรผัน

อิเล็กเตรต

ไดอิเล็กตริกเรียกว่าไดอิเล็กตริกที่สามารถรักษาสถานะโพลาไรซ์ได้เป็นเวลานาน แม้หลังจากที่ปิดสนามไฟฟ้าสถิตภายนอกที่ทำให้เกิดโพลาไรเซชันแล้ว ในขั้นต้น โมเลกุลไดอิเล็กตริกจะมีโมเมนต์ไดโพลคงที่

แต่ถ้าไดอิเล็กตริกดังกล่าวถูกหลอมเหลวและสนามไฟฟ้าสถิตถาวรที่แข็งแกร่งถูกนำไปใช้ในขณะที่มันหลอมละลาย เศษส่วนที่มีนัยสำคัญของโมเลกุลของสารหลอมเหลวจะถูกจัดเรียงตามฟิลด์ที่ใช้ ตอนนี้สารที่หลอมเหลวจะต้องถูกทำให้เย็นลงจนกว่าจะแข็งตัวสมบูรณ์ แต่ปล่อยให้สนามไฟฟ้าสถิตทำงานจนกว่าสารจะแข็งตัว เมื่อสารหลอมละลายเย็นลงอย่างสมบูรณ์แล้ว สามารถปิดฟิลด์ได้

การหมุนของโมเลกุลในสารที่แข็งตัวหลังจากขั้นตอนนี้จะเป็นเรื่องยาก ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลจะคงทิศทางไว้ นี่คือวิธีการสร้างช่างไฟฟ้าที่สามารถรักษาสถานะโพลาไรซ์ได้ตั้งแต่สองสามวันจนถึงหลายปี เป็นครั้งแรกที่อิเล็กเตรต (เทอร์โมอิเล็กเตรต) ถูกสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกันจากคาร์นูบาแว็กซ์และขัดสนโดยนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น โยกุจิ สิ่งนี้เกิดขึ้นในปี 1922

โพลาไรเซชันที่เหลือของไดอิเล็กตริกสามารถหาได้โดยการปรับทิศทางของไดโพลในผลึกโดยการย้ายอนุภาคที่มีประจุไปยังอิเล็กโทรดหรือ ตัวอย่างเช่น โดยการฉีดอนุภาคที่มีประจุจากอิเล็กโทรดหรือจากช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดเข้าไปในไดอิเล็กตริกระหว่างโพลาไรเซชัน สามารถนำพาหะประจุเข้าไปในตัวอย่างเทียมได้ เช่น โดยการฉายรังสีลำแสงอิเล็กตรอน เมื่อเวลาผ่านไป ระดับโพลาไรเซชันของอิเล็กเตรตจะลดลงเนื่องจากกระบวนการคลายตัวและการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าภายในของอิเล็กเตรต

โดยหลักการแล้ว ไดอิเล็กตริกใดๆ สามารถเปลี่ยนสถานะเป็นอิเล็กเตรตได้ อิเล็กเตรตที่เสถียรที่สุดได้มาจากเรซินและแว็กซ์ จากโพลิเมอร์และไดอิเล็กทริกอนินทรีย์ที่มีโครงสร้างแบบโพลีคริสตัลไลน์หรือโมโนคริสตัลไลน์ จากแก้ว ตะแกรงร่อน ฯลฯ

ในการทำให้ไดอิเล็กตริกเป็นอิเล็กเตรตที่เสถียร จะต้องให้ความร้อนจนถึงจุดหลอมเหลวในสนามไฟฟ้าสถิตที่รุนแรง จากนั้นทำให้เย็นลงโดยไม่ปิดสนามไฟฟ้า (อิเล็กเตรตดังกล่าวเรียกว่าเทอร์โมอิเล็กเตรต)

คุณสามารถฉายแสงตัวอย่างในสนามไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งจะทำให้เกิดโฟโตอิเล็กทริก หรือฉายรังสีด้วยฤทธิ์กัมมันตภาพรังสี — radioelectrics เพียงวางไว้ในสนามไฟฟ้าสถิตที่แรงมาก คุณจะได้อิเล็กโทรเทรต หรือในสนามแม่เหล็ก — แมกนีโตอิเล็กเตรต การแข็งตัวของสารละลายอินทรีย์ในสนามไฟฟ้าคือไครโออิเล็กเตรต

อิเล็กเตรตเมทานอลได้มาจากการเปลี่ยนรูปเชิงกลของพอลิเมอร์ ผ่านแรงเสียดทาน - ไทรโบอิเล็กทริก อิเล็กเตรตของโคโรนาอยู่ในขอบเขตของการปลดปล่อยโคโรนา ประจุไฟฟ้าที่พื้นผิวคงที่ที่เกิดขึ้นบนอิเล็กเตรตมีค่าเท่ากับ 0.00000001 C/cm2

อิเล็กเตรตจากแหล่งกำเนิดต่างๆ ใช้เป็นแหล่งกำเนิดสนามไฟฟ้าสถิตคงที่ในเซ็นเซอร์วัดการสั่นสะเทือน ไมโครโฟน เครื่องกำเนิดสัญญาณ อิเล็กโทรมิเตอร์ โวลต์มิเตอร์ ฯลฯ พวกมันทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่ละเอียดอ่อนอย่างสมบูรณ์แบบในเครื่องวัดปริมาตร อุปกรณ์หน่วยความจำ เป็นอุปกรณ์โฟกัสในตัวกรองแก๊ส บารอมิเตอร์ และไฮโกรมิเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง photoelectret ใช้ในการถ่ายภาพด้วยไฟฟ้า