Pyroelektrisitet—oppdagelse, fysisk grunnlag og applikasjoner

Historie om funn

Legenden sier at de første registreringene av pyroelektrisitet ble laget av den antikke greske filosofen og botanikeren Theophrastus i 314 f.Kr. I følge disse registreringene la Theophrastus en gang merke til at krystaller av mineralet turmalin, når de ble oppvarmet, begynte å tiltrekke seg biter av aske og halm. Mye senere, i 1707, ble fenomenet pyroelektrisitet gjenoppdaget av den tyske graveren Johann Schmidt.

Det er en annen versjon, ifølge hvilken oppdagelsen av pyroelektrisitet tilskrives den berømte gamle greske filosofen og reisende Thales of Miletus, som ifølge denne versjonen gjorde oppdagelsen på begynnelsen av 600-tallet f.Kr. N. E. Thales reiste til østlige land og gjorde notater om mineraler og astronomi.

Ved å undersøke evnen til gnidd rav til å tiltrekke seg sugerør og nedover, var han i stand til å vitenskapelig tolke fenomenet elektrifisering ved friksjon. Platon skulle senere beskrive denne historien i Timaeus-dialogen.Etter Platon, allerede på 1000-tallet, beskrev den persiske filosofen Al-Biruni i sitt verk "Mineralogi" lignende egenskaper til granatkrystaller.

Sammenhengen mellom pyroelektrisiteten til krystaller og andre lignende elektriske fenomener ville bli bevist og utviklet i 1757, da Franz Epinus og Johann Wilke begynte å studere polariseringen av visse materialer mens de gned seg mot hverandre.

Etter 127 år vil den tyske fysikeren August Kundt vise et levende eksperiment der han skal varme opp en turmalinkrystall og helle den gjennom en sil med en blanding av rødt bly- og svovelpulver. Svovelet vil være positivt ladet og det røde blyet negativt ladet, noe som resulterer i at det rød-oransje røde blyet farger den ene siden av turmalinkrystallen og den andre siden dekket av en lys gul-grå. August Kund avkjølte deretter turmalinen, "polariteten" til krystallen endret seg og fargene byttet plass. Publikum var henrykte.

Essensen av fenomenet er at når temperaturen på turmalinkrystallen endres med bare 1 grad, vises et elektrisk felt på rundt 400 volt per centimeter i krystallen. Legg merke til at turmalin, som all pyroelektrikk, er begge deler piezoelektrisk (forresten, ikke all piezoelektrikk er pyroelektrisk).

Fysiske fundamenter

Fysisk er fenomenet pyroelektrisitet definert som utseendet til et elektrisk felt i krystaller på grunn av en endring i deres temperatur. Endringen i temperatur kan være forårsaket av direkte oppvarming, friksjon eller stråling. Disse krystallene inkluderer dielektriske stoffer med spontan (spontan) polarisering i fravær av ytre påvirkninger.

Spontan polarisering blir vanligvis ikke lagt merke til fordi det elektriske feltet det skaper, oppveies av det elektriske feltet med gratis ladninger som påføres krystallen av den omkringliggende luften og av hoveddelen av krystallen. Når temperaturen på krystallen endres, endres også størrelsen på dens spontane polarisering, noe som fører til utseendet til et elektrisk felt, som observeres før kompensasjon med frie ladninger skjer.

En endring i den spontane polarisasjonen av pyroelektriske stoffer kan initieres ikke bare av en endring i deres temperatur, men også av mekanisk deformasjon. Det er grunnen til at all pyroelektrikk også er piezoelektrisk, men ikke all piezoelektrisk er pyroelektrisk Spontan polarisering, det vil si misforholdet mellom tyngdepunktene til de negative og positive ladningene inne i krystallen, forklares av den lave naturlige symmetrien til krystallen.

Anvendelser av pyroelektrisitet

I dag brukes pyroelektrikk som sensorer til ulike formål, som en del av strålingsmottakere og detektorer, termometre, etc. Alle disse enhetene utnytter en nøkkelegenskap ved pyroelektrikk - enhver type stråling som virker på prøven forårsaker en endring i temperaturen til prøven og en tilsvarende endring i polarisasjonen. Hvis i dette tilfellet overflaten av prøven er dekket med ledende elektroder og disse elektrodene er forbundet med ledninger til målekretsen, vil en elektrisk strøm flyte gjennom denne kretsen.

Og hvis det er en strøm av noen form for stråling ved inngangen til en pyroelektrisk omformer, som forårsaker fluktuasjoner i temperaturen til det pyroelektriske (periodisitet oppnås for eksempel ved kunstig modulering av strålingsintensiteten), så er en elektrisk strøm oppnådd ved utgangen, som også endres med en viss frekvens .

Fordelene med pyroelektriske strålingsdetektorer inkluderer: et uendelig bredt spekter av frekvenser av detektert stråling, høy følsomhet, høy hastighet, termisk stabilitet. Bruken av pyroelektriske mottakere i det infrarøde området er spesielt lovende.

De løser faktisk problemet med å oppdage laveffekts termiske energistrømmer, måle kraften og formen til korte laserpulser, og svært sensitiv berøringsfri og kontakttemperaturmåling (med mikrograders nøyaktighet).

I dag diskuteres seriøst muligheten for å bruke pyroelektrikk til direkte å konvertere termisk energi til elektrisk energi: en vekselstrøm av strålingsenergi genererer en vekselstrøm i den eksterne kretsen til et pyroelektrisk element. Og selv om effektiviteten til en slik enhet er lavere enn de eksisterende energikonverteringsmetodene, er fortsatt denne konverteringsmetoden ganske akseptabel for noen spesielle applikasjoner.

Den allerede brukte muligheten for å bruke den pyroelektriske effekten til å visualisere den romlige fordelingen av stråling i infrarøde bildesystemer (nattsyn, etc.) er spesielt lovende. Laget pyroelektriske vidikoner — varmeoverførende fjernsynsrør med et pyroelektrisk mål.

Bildet av en varm gjenstand projiseres på et mål, og bygger på det tilsvarende relieff av ladningen, som leses av en skanende elektronstråle. Den elektriske spenningen som skapes av elektronstrålestrømmen kontrollerer lysstyrken til strålen som maler bildet av objektet på skjermen.