Dielektrika

Fyzika normálních dielektrik

Joseph Valasek

    Zvláštní skupinu dielektrik tvoří feroelektrika, což jsou dielektrické krystaly vykazující v jistém teplotním intervalu spontánní polarizaci. Tato polarizace není svázána s přítomností vnějšího elektrického pole. První, kdo experimentálně objevil jev spontánní polarizace, byl v roce 1921 Čechoameričan Joseph Valasek. Jev byl poprvé popsán u Seignettovy soli [1].
Joseph Valasek
Obr. 1 - Joseph Valasek   
    Profesor Valasek se narodil 27.4. 1897 a zemřel 4.10. 1993. Celý svůj život působil na univerzitě v Minnesotě. Valasek se narodil ve Spojených státech, ale jeho rodiče pocházeli z Československa. Otec Valaseka pracoval jako novinář a posléze jako úředník v pivovaru. Dědeček Valaseka byl učitelem fyziky. Rodina Valaseka pochází ze Sobětuši, malé vesnice v Královehradeckém kraji. Rodiče emigrovali do Spojených států v roce 1894 po obvinění otce Valaseka z urážky císaře Františka  Josefa I.
    Valasek původně svůj výzkum zaměřil na tvorbu seismografu, který by využíval vlastnosti Seignettovy soli (Obr. 2). Při studiu Seignettovy soli zjistil, že vlastnosti této látky se velice podobají magnetickým vlastnostem železa. Původně zamýšlený piezoelektrický seismograf využíval Seignettovy soli jako elektromagnetického čidla. Během výzkumu Valasek pozoroval, že vlastnosti soli závisí na předchozím elektrickém namáhání. Podivné chování soli bylo známo již před objevem, předchozí experimenty ukazovaly nesrovnalosti ve výsledcích měření elektrostrikce (kontrakce způsobená vložením krystalu do elektrického pole). Valasek sestavil vhodnou aparaturu a naměřil hysterezní smyčku v závislosti intenzity elektrického pole vektor E a elektrické polarizace vektor P. Feroelektrika dále intenzivně studoval počátkem 30. let i Igor Kurčatov. Již v roce 1912 však použil termín "feroelektrický" ve své habilitační práci Erwin Schrödinger, když popisoval možnost spontánní polarizace polárních kapalných dielektrik při tuhnutí.
Seignettova sul
Obr. 2 - Seignettova sůl
    Směr spontánní polarizace spontanni polarizace u feroelektrik lze měnit vnějším elektrickým polem. Spontánní polarizaci vykazují i piezoelektrické materiály, u kterých však vnější elektrické pole nemá vliv na směr spontánní polarizace.
    Seignettova sůl je materiál, jehož zvláštní vlastnosti byly známy od 80. let 19. století. Již tehdy byl zjištěn silný piezoelektrický jev. Další podivnou vlastností je existence feroelektrického stavu v úzkém teplotním intervalu -18°C až 24°C. Krajní body tohoto teplotního intervalu jsou Curieovy body, při kterých dochází k přechodu mezi paraelektrickým a feroelektrickým stavem. Při měření teplotní závislosti dielektrické konstanty se v těchto bodech vyskytují ostrá maxima. Dielektrická konstanta vzroste z hodnoty e sto až na hodnotu e 1500. Při teplotě blízké Curieovu bodu dochází k uvolnění vzájemných vazeb elementárních dipólových momentů jednotlivých buněk krystalu a při přiložení vnějšího elektrického pole se tyto dipóly orientují do jednoho směru. Snadná příprava krystalů Seignettovy soli a efektivita přeměny mechanické energie na elektrickou určují široké využití v technické praxi. Příbuzné látky rovněž vykazují feroelektrický stav. Jedná se o deuterovaný vinan sodnodraselný, vinan sodnoamonný, vinan litnoamonný a vinan litnothalný. Vysoká hodnota dielektrické konstanty je využívána v kondenzátorech, které dosahují obrovských kapacit při malých rozměrech. Dále využívají feroelektrika různá zařízení pro automatizaci, dálkové ovládání či modulaci signálu ve vysokofrekvenčních oscilátorech. Feroelektrika se využívají i v pulsních generátorech, generátorech ultrazvuku, mikrofonech a v zařízeních pro ultrazvukovou defektoskopii.
    Nevýhodou feroelektrik je silná teplotní závislost elektrických veličin. Dielektrická konstanta čistého titaničitanu barnatého titanicitan je při teplotě t=120°C rovna asi e 100000. To předurčuje využití této látky v kondenzátorech, ale vysoká hodnota dielektrické konstanty platí pouze v úzkém teplotním intervalu. Pomocí vytvoření tuhého roztoku titanicitan s látkami jako CaSnO3 či SnTiO3 lze tento teplotní interval rozšířit a posunout směrem k nižším teplotám. Přestože se tedy teplotní závislost dielektrické konstanty jeví jako nežádoucí, je možné feroelektrika využít k citlivému měření teploty.
    Každé feroelektrikum vykazuje piezoelektrický jev. Jedná se o polarizaci krystalu deformací (tlakem). Polarizaci pak popisujeme pomocí tenzoru 3. řádu
1,            (1 - F)
kde koef jsou piezoelektrické koeficienty a mech napeti je tenzor mechanického napětí. Existuje také reciproký jev, kdy elektrické pole deformuje krystal. Při stlačení piezoelektrické destičky se na povrchu objeví elektrický náboj. Pro tento náboj platí vztah
2,            (2 - F)
který je zapsán zjednodušeně (piezoelektrické koeficienty jsou psány bez indexů). Vztah (2 - F) byl prvním vztahem popisující piezoelektrika, který byl podrobně experimentálně prozkoumán.
    Na přelomu 60. a 70. let byly zkoumány elektrické vlastnosti polymerů. Některé materiály vykazovaly feroelektrické vlastnosti [2]. Velmi zajímavým materiálem je polyvinylidenfluorid (PVDF). Výzkum tohoto polymeru byl poměrně problematický a dlouho se diskutovalo, zda se jedná o feroelektrikum nebo termoelektret. Nakonec byl objeven Curieův bod v blízkosti t=205°C, pouhých 20°C pod bodem tání. Feroelektrické polymery jsou využity v čidlech (tlaku, dopadu) nebo například v klávesnicích. Tlačítko klávesnice obsahující PVDF zaznamenalo 15 milionů úderů bez chyby či zhoršení vlastností [2].

Použitá literatura:
[1] Březina, B., Glogar, P.: Feroelektrika. 1. vyd. Praha: Academia, 1973. 198 s.
[2] Rosen, C.Z., Hiremath, B.V., Newnham, R.: Piezoelectricity. New York: American Institute of Physics, 1992. 544 s. ISBN 0-88318-647-0




Creative Commons License
Webová prezentace tématu o dielektrikách, jejímž autorem je Mgr. Martin Tomáš, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Zachovejte licenci 3.0 Česká republika.