Piroelectricitate - Descoperire, bază fizică și aplicații

Istoria descoperirilor

Legenda spune că primele înregistrări ale piroelectricității au fost făcute de filosoful și botanistul grec antic Theophrastus în 314 î.Hr. Potrivit acestor înregistrări, Teofrastul a observat odată că cristalele turmalinei minerale, atunci când sunt încălzite, au început să atragă bucăți de cenușă și paie. Mult mai târziu, în 1707, fenomenul piroelectricității a fost redescoperit de gravorul german Johann Schmidt.

Există o altă versiune, conform căreia descoperirea piroelectricității este atribuită celebrului filozof și călător grec antic Thales din Milet, care, conform acestei versiuni, a făcut descoperirea la începutul secolului al VI-lea î.Hr. N. E. Călătorind în țările din est, Thales a făcut notițe despre minerale și astronomie.

Prin investigarea capacității chihlimbarului frecat de a atrage paiele și în jos, el a reușit să interpreteze științific fenomenul de electrificare prin frecare. Platon avea să descrie mai târziu această poveste în dialogul Timeu.După Platon, deja în secolul al X-lea, filozoful persan Al-Biruni în lucrarea sa „Mineralogie” a descris proprietăți similare ale cristalelor de granat.

Legătura dintre piroelectricitatea cristalelor și alte fenomene electrice similare va fi dovedită și dezvoltată în 1757, când Franz Epinus și Johann Wilke au început să studieze polarizarea anumitor materiale pe măsură ce se frecau unul împotriva celuilalt.

După 127 de ani, fizicianul german August Kundt va arăta un experiment viu în care va încălzi un cristal de turmalină și îl va turna printr-o sită cu un amestec de plumb roșu și pulberi de sulf. Sulful va fi încărcat pozitiv și plumbul roșu încărcat negativ, rezultând plumbul roșu-portocaliu colorând o parte a cristalului de turmalină și cealaltă parte acoperită cu un galben-gri strălucitor. August Kund a răcit apoi turmalina, „polaritatea” cristalului s-a schimbat și culorile au schimbat locurile. Publicul a fost încântat.

Esența fenomenului este că atunci când temperatura cristalului de turmalină se modifică cu doar 1 grad, în cristal apare un câmp electric de aproximativ 400 de volți pe centimetru. Rețineți că turmalina, ca toate piroelectricele, este ambele piezoelectric (apropo, nu toți piezoelectricii sunt piroelectrici).

Fundamentele fizice

Din punct de vedere fizic, fenomenul de piroelectricitate este definit ca apariția unui câmp electric în cristale din cauza unei modificări a temperaturii acestora. Schimbarea temperaturii poate fi cauzată de încălzire directă, frecare sau radiații. Aceste cristale includ dielectrici cu polarizare spontană (spontană) în absența influențelor externe.

Polarizarea spontană nu este de obicei observată deoarece câmpul electric pe care îl creează este compensat de câmpul electric al sarcinilor libere care sunt aplicate cristalului de către aerul înconjurător și de cea mai mare parte a cristalului. Când temperatura cristalului se modifică, se modifică și magnitudinea polarizării sale spontane, ceea ce duce la apariția unui câmp electric, care se observă înainte de a se produce compensarea cu sarcini libere.

O modificare a polarizării spontane a piroelectricilor poate fi inițiată nu numai printr-o modificare a temperaturii acestora, ci și prin deformarea mecanică. De aceea toți piroelectricii sunt și piezoelectrici, dar nu toți piezoelectricii sunt piroelectrici.Polarizarea spontană, adică nepotrivirea centrelor de greutate a sarcinilor negative și pozitive din interiorul cristalului, se explică prin simetria naturală scăzută a cristalului.

Aplicații ale piroelectricității

Astăzi, piroelectricele sunt folosite ca dispozitive de detectare în diverse scopuri, ca parte a receptoarelor și detectorilor de radiații, termometrelor etc. Toate aceste dispozitive exploatează o proprietate cheie a piroelectricilor - orice tip de radiație care acționează asupra probei provoacă o modificare a temperaturii probei și o modificare corespunzătoare a polarizării acesteia. Dacă în acest caz suprafața probei este acoperită cu electrozi conductivi și acești electrozi sunt conectați prin fire la circuitul de măsurare, atunci un curent electric va circula prin acest circuit.

Și dacă există un flux de orice fel de radiație la intrarea unui convertor piroelectric, care provoacă fluctuații ale temperaturii piroelectricului (periodicitatea se obține, de exemplu, prin modularea artificială a intensității radiației), atunci un curent electric este obținut la ieșire, care se modifică și cu o anumită frecvență.

Avantajele detectorilor de radiații piroelectrice includ: o gamă infinită de frecvențe ale radiațiilor detectate, sensibilitate mare, viteză mare, stabilitate termică. Utilizarea receptorilor piroelectrici în regiunea infraroșu este deosebit de promițătoare.

Ele rezolvă de fapt problema detectării fluxurilor de energie termică de putere redusă, măsurarea puterii și formei impulsurilor laser scurte și măsurarea foarte sensibilă a temperaturii fără contact și de contact (cu precizie de micrograde).

Astăzi, se discută serios posibilitatea utilizării piroelectricilor pentru a transforma direct energia termică în energie electrică: un flux alternant de energie radiantă generează un curent alternativ în circuitul extern al unui element piroelectric. Și deși eficiența unui astfel de dispozitiv este mai mică decât metodele existente de conversie a energiei, totuși pentru unele aplicații speciale această metodă de conversie este destul de acceptabilă.

Posibilitatea deja utilizată de a utiliza efectul piroelectric pentru a vizualiza distribuția spațială a radiațiilor în sistemele de imagistică în infraroșu (viziune de noapte etc.) este deosebit de promițătoare. S-au creat vidiconi piroelectrici — tuburi de televiziune care transmit căldură cu o țintă piroelectrică.

Imaginea unui obiect cald este proiectată pe o țintă, construind pe aceasta relieful corespunzător al sarcinii, care este citită de un fascicul de electroni de scanare. Tensiunea electrică creată de curentul fasciculului de electroni controlează luminozitatea fasciculului care pictează imaginea obiectului pe ecran.