ferroelektrisitet

Ferroelektrisitet er den egenskap ved enkelte materialer at de kan være elektrisk polarisert selv om de ikke befinner seg i et elektrisk felt. Dette har i de senere år vært brukt i sammenheng med høyenergi kondensatorer og effektiv lagring av energi, nattfotografering og ultralydundersøkelser (omtalt nedenfor).

Faktaboks

etymologi:
av ferro-

Av historiske årsaker kalles materialer med denne egenskapen ferroelektriske materialer til tross for at de fleste av dem ikke inneholder jern (se ferro-).

Historikk og oppdagelsen av elektrisk hysterese

elektrisk hysterese
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Ferroelektrisitet ble oppdaget i 1920 av Joseph Valasek (1897–1993) som da var doktorgradsstudent ved University of Minnesota i USA. Han gjorde eksperimenter med seignettesalt og plasserte krystaller av dette materialet i et elektrisk felt. Materialet fikk økende elektrisk polarisasjon da han økte den elektriske feltstyrken. Så lot han det elektriske feltet bli svakere. Da avtok materialets polarisasjon, og han la merke til at for en gitt feltstyrke var polarisasjonen mindre enn da han økte feltet. Sammenhengen mellom polarisasjonen og den elektriske flukstettheten under økningen og svekkelsen av det elektriske feltet er vist i figuren. Fenomenet kalles elektrisk hysterese siden det er analogt med fenomenet magnetisk hysterese som ble oppdaget før 1920.

Vajasek skrev fire vitenskapelige artikler om sine observasjoner som ble publisert i det amerikanske tidsskriftet Physical Review i årene 1921–1924.

I 1933 viste de amerikanske fysikerne Paul Scherrer og Georg Busch at kalium er ferroelektrisk ved lavere temperatur enn 151 kuldegrader.

Det var først etter andre verdenskrig at det ble utviklet en fysisk forståelse av fenomenet ferroelektrisitet. De siste 50 årene er det blitt produsert en rekke ferromagnetiske materialer, og fenomenet ferroelektrisitet har fått mange anvendelser. Det er et aktivt utviklings- og forskningsområde.

Opphav

Betegnelsen er analog med ferromagnetisme, en spontan magnetisering som opptrer under Curie-temperaturen, og disse fenomenene har likheter. Ferroelektrisitet oppstår når atomene som danner krystallstrukturen til materialet spontant retter inn sine elektriske dipolmoment langs én bestemt retning. Det ferroelektriske materialet vil som regel bestå av flere domener som fremviser et spontant elektrisk felt i en gitt retning.

Et ytre påtrykt elektrisk felt vil kunne reversere den elektriske polariseringen til materialet. Når temperaturen øker, vil ferroelektrisiteten etter hvert forsvinne når den termiske energien til atomene blir tilstrekkelig høy til å få dipolmomentene til å peke i vilkårlige retninger.

Anvendelser

Vi skal her begrense oss til å omtale tre av de viktigste anvendelsesområdene.

Høyenergi kondensator og effektiv lagring av energi

En fordel med ferroelektriske materialer er at en kondensator laget av et ferromagnetisk materiale har stor evne til å lagre ladning. Dette betyr også at en slik kondensator har god evne til å lagre elektrisk energi. Derfor brukes nå ferromagnetiske materialer til å lage kompakte batterier.

‘Nattsynteknologi’

Kameraer som kan ‘se’ om natten krever materialer som frigjør elektrisk ladning som respons på temperaturvariasjoner. Mange ferroelektriske materialer, for eksempel triglysinsulfat, har denne egenskapen. De kan registrere temperaturforskjeller ned til en hundredels grad. I kameraer for å registrere infrarød stråling (varmestråling) utnyttes dette. Slike kameraer brukes blant annet i medisin, i sikkerhetstjenester og for å fotografere dyr og mennesker om natten.

Medisinsk ultralyd og undervannsakustikk

Ferroelektriske materialer er også piezoelektriske. Det betyr at et slikt materiale genererer elektrisk spenning når det utsettes for press fra et legeme. Dette kan utnyttes til å lage et bilde av legemet.

Det er ikke nødvendig at legemet presser direkte på det ferroelektriske materialet. Man har konstruert apparater som sender lydbølger mot et objekt, og hvor de reflekterte lydbølgene påvirker det ferroelektriske materialet slik at det genererer en elektrisk spenning som gjør det mulig å lage et bilde. Dette utnyttes for eksempel til å ta ultralydbilder av fostre.

Denne mekanismen utnyttes også i hydrofoner, det vil si utstyr som sender ut og registrerer lysbølger fra objekter under vann, for eksempel fisk.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg