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].
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
a elektrické polarizace
.
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.

Obr. 2 - Seignettova sůl
Směr spontánní 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
až na hodnotu
.
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
je při teplotě t=120°C rovna asi
.
To předurčuje využití této látky v
kondenzátorech, ale vysoká hodnota dielektrické
konstanty platí pouze v úzkém teplotním
intervalu. Pomocí vytvoření tuhého roztoku
s látkami jako
či
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 - F)
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

Obr. 2 - Seignettova sůl
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
Nevýhodou feroelektrik je silná teplotní závislost elektrických veličin. Dielektrická konstanta čistého titaničitanu barnatého
Každé feroelektrikum vykazuje piezoelektrický jev. Jedná se o polarizaci krystalu deformací (tlakem). Polarizaci pak popisujeme pomocí tenzoru 3. řádu
kde
jsou piezoelektrické koeficienty a
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 - 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].
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
