Piroelektričnost – odkritje, fizikalne osnove in aplikacije

Zgodovina odkritij

Legenda pravi, da je prve zapise o piroelektriki naredil starogrški filozof in botanik Teofrast leta 314 pr. Po teh zapisih je Teofrast nekoč opazil, da so kristali minerala turmalina pri segrevanju začeli privlačiti koščke pepela in slame. Mnogo pozneje, leta 1707, je fenomen piroelektričnosti ponovno odkril nemški graver Johann Schmidt.

Obstaja še ena različica, po kateri naj bi odkritje piroelektrike pripisali slavnemu starogrškemu filozofu in popotniku Thalesu iz Mileta, ki je po tej različici odkril na začetku 6. stoletja pr. N. E. Med potovanjem v vzhodne države je Thales delal zapiske o mineralih in astronomiji.

Z raziskovanjem sposobnosti drgnjenega jantarja, da privlači slamice in navzdol, mu je uspelo znanstveno razložiti pojav elektrifikacije s trenjem. Platon bo to zgodbo pozneje opisal v dialogu o Timeju.Po Platonu je že v 10. stoletju perzijski filozof Al-Biruni v svojem delu »Mineralogija« opisal podobne lastnosti kristalov granata.

Povezava med piroelektričnostjo kristalov in drugimi podobnimi električnimi pojavi bo dokazana in razvita leta 1757, ko sta Franz Epinus in Johann Wilke začela proučevati polarizacijo določenih materialov, ko se ti drgnejo drug ob drugega.

Nemški fizik August Kundt bo po 127 letih prikazal nazoren poskus, v katerem bo segrel kristal turmalina in ga skozi sito prelil z mešanico rdečega svinca in žveplovega prahu. Žveplo bo pozitivno nabito, svinec pa negativno nabit, zaradi česar bo rdeče-oranžni svinec obarval eno stran kristala turmalina, druga stran pa bo prekrita s svetlo rumeno-sivo. August Kund je nato ohladil turmalin, "polarnost" kristala se je spremenila in barve so zamenjale mesta. Publika je bila navdušena.

Bistvo pojava je, da ko se temperatura kristala turmalina spremeni le za 1 stopinjo, se v kristalu pojavi električno polje okoli 400 voltov na centimeter. Upoštevajte, da je turmalin, tako kot vsi piroelektriki, oboje piezoelektrični (mimogrede, niso vsi piezoelektriki piroelektriki).

Fizični temelji

Fizikalno je pojav piroelektrike definiran kot pojav električnega polja v kristalih zaradi spremembe njihove temperature. Spremembo temperature lahko povzroči neposredno segrevanje, trenje ali sevanje. Ti kristali vključujejo dielektrike s spontano (spontano) polarizacijo v odsotnosti zunanjih vplivov.

Spontane polarizacije običajno ne opazimo, ker električno polje, ki ga ustvari, izravna električno polje prostih nabojev, ki jih na kristal nanese okoliški zrak in glavnina kristala. Ko se temperatura kristala spremeni, se spremeni tudi velikost njegove spontane polarizacije, kar povzroči pojav električnega polja, ki ga opazimo, preden pride do kompenzacije s prostimi naboji.

Sprememba spontane polarizacije piroelektrikov se lahko sproži ne le s spremembo njihove temperature, temveč tudi z mehansko deformacijo. Zato so vsi piroelektriki tudi piezoelektriki, niso pa vsi piezoelektriki piroelektriki.Spontano polarizacijo, to je neusklajenost težišč negativnih in pozitivnih nabojev v notranjosti kristala, razložimo z nizko naravno simetrijo kristala.

Uporaba piroelektrike

Danes se piroelektriki uporabljajo kot senzorji za različne namene, kot del sprejemnikov in detektorjev sevanja, termometrov itd. Vse te naprave izkoriščajo ključno lastnost piroelektrike – kakršna koli vrsta sevanja, ki deluje na vzorec, povzroči spremembo temperature vzorca in ustrezno spremembo njegove polarizacije. Če je v tem primeru površina vzorca prekrita s prevodnimi elektrodami in so te elektrode z žicami povezane z merilnim krogom, bo po tem krogu stekel električni tok.

In če je na vhodu piroelektričnega pretvornika tok kakršnega koli sevanja, ki povzroča nihanje temperature piroelektrika (periodičnost se doseže npr. z umetno modulacijo jakosti sevanja), potem je električni tok dobimo na izhodu, ki se prav tako spreminja z določeno frekvenco .

Prednosti piroelektričnih detektorjev sevanja so: neskončno širok razpon frekvenc zaznanega sevanja, visoka občutljivost, visoka hitrost, toplotna stabilnost. Posebej obetavna je uporaba piroelektričnih sprejemnikov v infrardečem območju.

Dejansko rešujejo problem zaznavanja toplotnih tokov nizke moči, merjenja moči in oblike kratkih laserskih impulzov ter visoko občutljivega brezkontaktnega in kontaktnega merjenja temperature (z mikrostopinsko natančnostjo).

Danes se resno razpravlja o možnosti uporabe piroelektrike za neposredno pretvorbo toplotne energije v električno: izmenični tok sevalne energije ustvarja izmenični tok v zunanjem tokokrogu piroelektričnega elementa. In čeprav je učinkovitost takšne naprave manjša od obstoječih metod pretvorbe energije, je za nekatere posebne aplikacije ta metoda pretvorbe še vedno sprejemljiva.

Še posebej obetavna je že uporabljena možnost uporabe piroelektričnega efekta za vizualizacijo prostorske porazdelitve sevanja v infrardečih slikovnih sistemih (nočno gledanje ipd.). Ustvaril piroelektrične vidikone - televizijske cevi za prenos toplote s piroelektrično tarčo.

Slika toplega predmeta se projicira na tarčo in na njej zgradi ustrezen relief naboja, ki ga prebere skenirajoči elektronski žarek. Električna napetost, ki jo ustvari tok elektronskega žarka, nadzoruje svetlost žarka, ki slika sliko predmeta na zaslonu.