Диэлектрики в обычном понимании слова — это вещества, приобретающие электрический момент под действием внешнего электростатического поля. Однако среди диэлектриков существуют и такие, которые проявляют совершенно необычные свойства. К таким диэлектрикам с особенными свойствами относятся сегнетоэлектрики и электреты.
Сегнетоэлектрики и электреты - это два класса материалов, которые имеют связанные с электрическим полем свойства.
Сегнетоэлектрики - это твердые диэлектрики, которые обладают спонтанной поляризацией в определенном интервале температур. Поляризация может быть переориентирована приложением внешнего электрического поля.
Сегнетоэлектрики демонстрируют гистерезис, пьезоэффект, пироэффект и другие явления. Сегнетоэлектрики применяются в современных приборах, таких как конденсаторы, память, датчики, преобразователи и т.д.
Примеры сегнетоэлектриков - это титанат бария, цирконат-титанат свинца, ниобат калия и другие.
Электреты - это диэлектрики, которые имеют постоянную поляризацию или заряд, полученную в результате воздействия электрического поля, тепла, радиации или других факторов.
Электреты сохраняют свою поляризацию или заряд в течение длительного времени. Электреты используются в микрофонах, генераторах, датчиках и т.д.
Примеры электретов - это парафин, поливинилхлорид, политетрафторэтилен и другие.
Если вы хотите узнать больше о сегнетоэлектриках и электретах, читайте нашу статью.
напряжения.
В радиотехнике сегнетоэлектрики также применяются в конденсаторах большой емкости, где их высокая диэлектрическая проницаемость позволяет минимизировать размеры компонентов без потери характеристик.
Особое значение имеют сегнетоэлектрические материалы в СВЧ-устройствах, где они служат основой для резонаторов и фильтров, обеспечивая стабильность параметров в широком частотном диапазоне.
В области оптики кристаллы с сегнетоэлектрическими свойствами используются для модуляции лазерного излучения, преобразования частоты света и создания электрооптических систем.
Пьезоэлектрические преобразователи на основе сегнетоэлектриков, таких как титанат бария, нашли применение в ультразвуковых излучателях, зажигалках и датчиках давления, где механическое воздействие генерирует электрический заряд. Температурные датчики используют зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от температуры, что позволяет создавать высокочувствительные измерительные системы.
В цифровых технологиях материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяются в энергонезависимой памяти, где ориентация спонтанной поляризации доменов кодирует биты информации.
Гибридные структуры, сочетающие сегнетоэлектрики с полупроводниками или люминофорами, открывают возможности для разработки новых типов сенсоров и дисплеев.
напряжения.
В радиотехнике сегнетоэлектрики также применяются в конденсаторах большой емкости, где их высокая диэлектрическая проницаемость позволяет минимизировать размеры компонентов без потери характеристик.
Особое значение имеют сегнетоэлектрические материалы в СВЧ-устройствах, где они служат основой для резонаторов и фильтров, обеспечивая стабильность параметров в широком частотном диапазоне.
В области оптики кристаллы с сегнетоэлектрическими свойствами используются для модуляции лазерного излучения, преобразования частоты света и создания электрооптических систем.
Пьезоэлектрические преобразователи на основе сегнетоэлектриков, таких как титанат бария, нашли применение в ультразвуковых излучателях, зажигалках и датчиках давления, где механическое воздействие генерирует электрический заряд. Температурные датчики используют зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от температуры, что позволяет создавать высокочувствительные измерительные системы.
В цифровых технологиях материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяются в энергонезависимой памяти, где ориентация спонтанной поляризации доменов кодирует биты информации.
Гибридные структуры, сочетающие сегнетоэлектрики с полупроводниками или люминофорами, открывают возможности для разработки новых типов сенсоров и дисплеев.
Электретами называют диэлектрики, способные сохранять поляризованное состояние в течение продолжительного времени даже после того, как внешнее электростатическое поле, вызвавшее поляризацию, отключено. Изначально молекулы диэлектрика обладают постоянными дипольными моментами.
Но если такой диэлектрик расплавить, а затем включить сильное постоянное электростатическое поле, пока он расплавлен, то значительная часть молекул расплавленного вещества сориентируется по приложенному полю. Теперь расплавленное вещество следует охладить до полного затвердевания, но электростатическое поле оставить действовать до тех пор, пока вещество не затвердеет. Когда расплавленное вещество полностью остынет, поле можно отключить.
Поворот молекул, в затвердевшем после данной процедуры веществе, будет затруднен, это значит, что молекулы сохранят совою ориентацию. Так изготавливают электреты, способные сохранять поляризованное состояние от нескольких дней до многих лет. Впервые электрет (термоэлектрет) подобным образом изготовил из карнаубского воска и канифоли японский физик Ёгути, это произошло в 1922 году.
Остаточную поляризацию диэлектрика можно получить путем ориентации квазидиполей в кристаллах за счет миграции заряженных частиц в сторону электродов или, например, с помощью инжекции заряженных частиц из электродов либо из межэлектродных промежутков — в диэлектрик в процессе поляризации. Носители заряда можно ввести в образец искусственно, к примеру при помощи облучения пучком электронов. Со временем степень поляризованности электрета снижается из-за релаксационных процессов и перемещения носителей заряда под действием внутреннего электрического поля электрета.
В принципе любые диэлектрики можно перевести в состояние электрета. Наиболее стабильные электреты получаются из смол и восков, из полимеров и неорганических диэлектриков поликристаллической или монокристаллической структуры, из стекол, ситаллов и т. д.
Чтобы сделать диэлектрик стабильным электретом, его необходимо разогреть до температуры плавления в сильном электростатическом поле, а после — охладить, не отключая поля (такие электреты называются термоэлектретами).
Можно освещать образец в сильном электрическом поле, так получают фотоэлектреты. Или облучать радиоактивным действием — радиоэлектреты. Просто поместить в очень сильное электростатическое поле — получится электроэлектрет. Или в магнитное поле — магнетоэлектрет. Застывание органического раствора в электрическом поле — криоэлектрет.
Механической деформацией полимера получают механолэлектреты. Трением — трибоэлектреты. В поле действия коронного разряда — коронноэлектреты. Стабильный поверхностный заряд, достигаемый на электрете, имеет порядок 0,00000001 Кл/кв.см.
Применение элекретов
Электреты различного происхождения находят применение в качестве источников постоянного электростатического поля в вибродатчиках, микрофонах, генераторах сигналов, электрометрах, вольтметрах и т. д. Они отлично служат чувствительными элементами в дозиметрах, устройствах памяти. Как устройства фокусировки в газовых фильтрах, барометрах и гигрометрах.
Конкретно фотоэлектреты находят применение в электрофотографии, где их способность сохранять электростатические заряды под воздействием света становится ключевой для формирования изображений.
В этом процессе фотоэлектреты выступают основой светочувствительных слоев, которые при экспонировании создают скрытые электростатические паттерны, соответствующие исходному изображению. Под действием света в фотопроводящем слое генерируются носители заряда, нейтрализующие поверхностный потенциал на освещенных участках, что позволяет избирательно притягивать частицы тонера для визуализации скрытого рельефа.
Такая технология лежит в основе современных копировальных аппаратов и лазерных принтеров, обеспечивая высокую скорость печати за счет многократного использования фоторецепторного барабана с электростатической зарядкой.
В цифровых системах фотоэлектреты адаптированы для работы с полупроводниковыми лазерами, где их чувствительность к специфическим длинам волн (например, 780 нм для GaAlAs-лазеров) позволяет достигать точного управления процессом экспонирования.
Уникальное сочетание долговременного сохранения заряда и световой активации делает фотоэлектреты незаменимыми для оперативного создания как монохромных, так и цветных изображений с возможностью термопластической фиксации.
Термопластическая фиксация в классических системах реализуется через дополнительные полимерные слои, размягчающиеся при нагреве (аналогично технологии термосублимационной печати). Однако в современных устройствах чаще используют электростатическое закрепление тонера с последующим УФ-отверждением.