特別な特性を持つ誘電体 — 強誘電体と電気体

通常の意味での誘電体は、外部静電場の作用下で電気モーメントを獲得する物質です。しかし、誘電体の中には全く珍しい特性を示すものも存在します。特別な特性を持つこれらの誘電体には、強誘電体と誘電体が含まれます。これらについてはさらに詳しく説明します。

強誘電体

物質の自発分極または自発分極は、1920 年にロッシェル塩の結晶で最初に発見され、その後他の結晶でも発見されました。しかし、この特性を示した最初の開放誘電体であるロッシェル塩に敬意を表して、そのような物質のグループ全体が強誘電体または強誘電体と呼ばれるようになりました。 1930 年から 1934 年にかけて、イーゴリ ヴァシリエヴィチ クルチャトフの指導の下、レニングラード物理学科で誘電体の自発分極の詳細な研究が実施されました。

すべての強誘電体は最初に強誘電特性の顕著な異方性を示し、分極は結晶軸の 1 つにのみ沿って観察できることが判明しました。等方性誘電体はすべての分子について同じ分極を持ちますが、異方性物質の場合、分極ベクトルは異なる方向で異なります。現在、数百の強誘電体が発見されています。

強誘電体は、次のような特別な特性によって区別されます。特定の温度範囲における誘電率 e は 1000 ～ 10000 の範囲にあり、印加される静電界の強さに応じて変化し、また非線形に変化します。これはいわゆる誘電ヒステリシスでは、強誘電体の分極曲線、つまりヒステリシス曲線をプロットすることもできます。

強誘電体のヒステリシス曲線は、磁場内の強磁性体のヒステリシス ループに似ています。ここには飽和点がありますが、外部電場がない場合でも、それがゼロに等しい場合、反対方向の保磁力が必要となる残留分極を除去するために結晶内にいくらかの残留分極が観察されることもわかります。サンプルに適用されます。

強誘電体は固有キュリー点、つまり二次相転移が発生して強誘電体が残留分極を失い始める温度によっても特徴付けられます。ロッシェル塩の場合、キュリー点温度は +18 ～ +24°C の範囲にあります。

誘電体に強誘電性が存在する理由は、物質の粒子間の強い相互作用から生じる自発分極です。物質は位置エネルギーを最小限に抑えようと努めますが、いわゆる構造欠陥の存在により、結晶はいず​​れにしても複数の領域に分割されます。

その結果、外部電場がない場合、結晶の全電気運動量はゼロとなり、外部電場が印加されると、これらの領域はそれに沿って配向する傾向があります。強誘電体は、バリコン（可変容量のコンデンサ）などの無線工学デバイスに使用されます。

エレクトレット

誘電体は、分極を引き起こした外部静電場が消えた後でも、分極状態を長期間維持できる誘電体と呼ばれます。当初、誘電体分子は一定の双極子モーメントを持っています。

しかし、そのような誘電体が溶融し、溶融中に強力な永久静電界が印加されると、溶融物質の分子のかなりの部分が印加された電界に従って配向されます。ここで、溶融物質は完全に固化するまで冷却する必要があります。ただし、静電場は物質が硬化するまで作用します。溶融物質が完全に冷えたら、フィールドをオフにすることができます。

この操作により固化した物質中の分子は回転しにくくなり、分子の配向が保たれることになります。このようにして、数日から数年にわたって分極状態を維持できる電気技師が作られています。初めてエレクトレット (サーモエレクトレット) がカルナバワックスとロジンから同様の方法で日本の物理学者与口によって作られました。これは 1922 年に起こりました。

誘電体の残留分極は、荷電粒子を電極に移動させることによって結晶内の擬似双極子を配向させることによって、または例えば、分極中に電極または電極間ギャップから荷電粒子を誘電体に注入することによって得ることができる。電荷キャリアは、電子ビーム照射などにより人工的にサンプルに導入できます。時間の経過とともに、エレクトレットの分極度は、緩和プロセスとエレクトレットの内部電場の影響下での電荷キャリアの移動により減少します。

原理的には、あらゆる誘電体をエレクトレット状態に変換できます。最も安定したエレクトレットは、樹脂やワックス、多結晶または単結晶構造のポリマーや無機誘電体、ガラスやふるいなどから得られます。

誘電体を安定したエレクトレットにするには、強い静電界中で融点まで加熱し、その後、電界を切らずに冷却する必要があります (このようなエレクトレットは熱エレクトレットと呼ばれます)。

強い電場でサンプルを照射すると、光電が生成されます。または、放射性効果、つまり電波を照射します。非常に強い静電場に置くだけで、エレクトレットが発生します。あるいは磁場の中で - マグネトエレクトレット。電界中での有機溶液の凝固はクライオエレクトレットです。

メタノールエレクトレットは、ポリマーの機械的変形によって得られます。摩擦による - 摩擦電気。コロナエレクトレットはコロナ放電の作用場にあります。エレクトレット上で達成される安定した表面電荷は、0.00000001 C/cm2 程度です。

さまざまな起源のエレクトレットは、振動センサー、マイクロフォン、信号発生器、電位計、電圧計などの一定の静電場の発生源として使用されます。これらは、線量計や記憶装置の敏感な要素として完全に機能します。ガスフィルター、気圧計、湿度計の集束装置として。特に、光エレクトレットは電子写真で使用されます。