Piroelektryczność — odkrycie, podstawy fizyczne i zastosowania

Historia odkryć

Legenda głosi, że pierwsze wzmianki o piroelektryczności zostały sporządzone przez starożytnego greckiego filozofa i botanika Teofrasta w 314 rpne. Według tych zapisów Teofrast zauważył kiedyś, że kryształy minerału turmalinu po podgrzaniu zaczęły przyciągać kawałki popiołu i słomy. Znacznie później, w 1707 roku, zjawisko piroelektryczności zostało ponownie odkryte przez niemieckiego rytownika Johanna Schmidta.

Istnieje inna wersja, według której odkrycie piroelektryczności przypisuje się słynnemu starożytnemu greckiemu filozofowi i podróżnikowi Talesowi z Miletu, który według tej wersji dokonał odkrycia na początku VI wieku pne. N.E. Podróżując do krajów wschodnich, Tales robił notatki na temat minerałów i astronomii.

Badając zdolność rozcieranego bursztynu do przyciągania słomek i ku dołowi, potrafił naukowo zinterpretować zjawisko elektryzowania przez tarcie. Platon później opisał tę historię w dialogu Timajosa.Po Platonie już w X wieku perski filozof Al-Biruni w swoim dziele „Mineralogia” opisał podobne właściwości kryształów granatu.

Związek między piroelektrycznością kryształów a innymi podobnymi zjawiskami elektrycznymi został udowodniony i rozwinięty w 1757 r., Kiedy Franz Epinus i Johann Wilke zaczęli badać polaryzację pewnych materiałów, gdy ocierają się o siebie.

Po 127 latach niemiecki fizyk August Kundt pokaże barwny eksperyment, w którym podgrzeje kryształ turmalinu i przeleje go przez sito z mieszaniną proszków czerwonego ołowiu i siarki. Siarka będzie naładowana dodatnio, a czerwony ołów naładowany ujemnie, w wyniku czego czerwono-pomarańczowy czerwony ołów zabarwi jedną stronę kryształu turmalinu, a drugą stronę pokryje jasnożółto-szarym kolorem. Następnie August Kund schłodził turmalin, „biegunowość” kryształu uległa zmianie, a kolory zamieniły się miejscami. Publiczność była zachwycona.

Istota zjawiska polega na tym, że gdy temperatura kryształu turmalinu zmienia się tylko o 1 stopień, w krysztale pojawia się pole elektryczne o wartości około 400 woltów na centymetr. Zauważ, że turmalin, podobnie jak wszystkie piroelektryki, jest jednym i drugim piezoelektryczny (nawiasem mówiąc, nie wszystkie piezoelektryki są piroelektrykami).

Podstawy fizyczne

Fizycznie zjawisko piroelektryczności definiuje się jako pojawienie się pola elektrycznego w kryształach w wyniku zmiany ich temperatury. Zmiana temperatury może być spowodowana bezpośrednim ogrzewaniem, tarciem lub promieniowaniem. Kryształy te obejmują dielektryki o spontanicznej (spontanicznej) polaryzacji przy braku wpływów zewnętrznych.

Spontaniczna polaryzacja zwykle nie jest zauważana, ponieważ wytwarzane przez nią pole elektryczne jest równoważone przez pole elektryczne swobodnych ładunków, które są przykładane do kryształu przez otaczające powietrze i masę kryształu. Gdy zmienia się temperatura kryształu, zmienia się również wielkość jego spontanicznej polaryzacji, co prowadzi do pojawienia się pola elektrycznego, które obserwuje się przed kompensacją swobodnymi ładunkami.

Zmianę spontanicznej polaryzacji piroelektryków można zapoczątkować nie tylko zmianą ich temperatury, ale także mechaniczną deformacją. Dlatego wszystkie piroelektryki są również piezoelektrykami, ale nie wszystkie piezoelektryki są piroelektrykami.Spontaniczna polaryzacja, czyli niedopasowanie środków ciężkości ładunków ujemnych i dodatnich wewnątrz kryształu, jest wyjaśniona niską naturalną symetrią kryształu.

Zastosowania piroelektryczności

Obecnie piroelektryki są wykorzystywane jako czujniki do różnych celów, jako część odbiorników i detektorów promieniowania, termometrów itp. Wszystkie te urządzenia wykorzystują kluczową właściwość piroelektryków — każdy rodzaj promieniowania działającego na próbkę powoduje zmianę temperatury próbki i odpowiednią zmianę jej polaryzacji. Jeżeli w tym przypadku powierzchnia próbki zostanie pokryta elektrodami przewodzącymi i te elektrody zostaną połączone przewodami z obwodem pomiarowym, to przez ten obwód popłynie prąd elektryczny.

A jeśli na wejście przetwornika piroelektrycznego przepływa jakikolwiek rodzaj promieniowania, który powoduje wahania temperatury piroelektryka (okresowość uzyskuje się np. poprzez sztuczną modulację natężenia promieniowania), to prąd elektryczny jest uzyskiwany na wyjściu, który również zmienia się z określoną częstotliwością.

Do zalet detektorów promieniowania piroelektrycznego należą: nieskończenie szeroki zakres częstotliwości wykrywanego promieniowania, wysoka czułość, duża prędkość, stabilność termiczna. Szczególnie obiecujące jest zastosowanie odbiorników piroelektrycznych w zakresie podczerwieni.

Właściwie rozwiązują problem wykrywania przepływów energii cieplnej małej mocy, pomiaru mocy i kształtu krótkich impulsów laserowych oraz bardzo czułego bezkontaktowego i kontaktowego pomiaru temperatury (z mikrostopniową dokładnością).

Obecnie poważnie dyskutuje się o możliwości wykorzystania piroelektryków do bezpośredniego przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną: zmienny przepływ energii promieniowania generuje prąd przemienny w obwodzie zewnętrznym elementu piroelektrycznego. I chociaż wydajność takiego urządzenia jest niższa niż w przypadku istniejących metod konwersji energii, to jednak dla niektórych specjalnych zastosowań ta metoda konwersji jest całkiem do przyjęcia.

Szczególnie obiecująca jest wykorzystywana już możliwość wykorzystania efektu piroelektrycznego do wizualizacji przestrzennego rozkładu promieniowania w systemach obrazowania w podczerwieni (noktowizor itp.). Stworzył piroelektryczne vidicony - emitujące ciepło lampy telewizyjne z piroelektrycznym celem.

Obraz ciepłego obiektu jest rzutowany na cel, budując na nim odpowiedni relief ładunku, który jest odczytywany przez skanującą wiązkę elektronów. Napięcie elektryczne wytwarzane przez prąd wiązki elektronów kontroluje jasność wiązki, która maluje obraz obiektu na ekranie.