Пироэлектричество

Article

June 30, 2022

Пироэлектричество — это способность некоторых материалов генерировать электрический потенциал при нагревании или охлаждении. В результате этого изменения температуры положительные и отрицательные заряды мигрируют к противоположным концам (например, материал поляризуется) и, таким образом, формируется электрический потенциал.

Объяснение

Пироэлектричество можно представить как одну сторону треугольника, где каждый угол представляет различные энергетические состояния в кристалле: кинетическую энергию, электрическую энергию и тепловую энергию. Сторона между электрическим и тепловым углами представляет собой пироэлектрический эффект и не производит кинетическую энергию. Сторона между кинетическим и электрическим углами представляет собой пьезоэлектрический эффект и не выделяет тепла. Хотя были разработаны различные искусственные пироэлектрические материалы, пироэлектрический эффект был впервые обнаружен в ряде минералов, таких как кварц и турмалин, а также в ионных кристаллах. Пироэлектрический эффект также имеет место в костях и сухожилиях. Название пироэлектричество происходит от греческого слова «пир», что означает огонь и электричество. Пироэлектрический заряд в различных минералах возникает на противоположных поверхностях асимметричных кристаллов. Заряд обычно равномерно распространяется вдоль пироэлектрического материала. Но в некоторых материалах это направление можно изменить под действием близлежащего электрического поля. Эти материалы также проявляют сегнетоэлектричество. Все пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектрическими, эти два свойства тесно связаны между собой. Даже очень небольшое изменение температуры в пироэлектрическом материале может создать электрический потенциал. Пассивные инфракрасные датчики часто разрабатываются на основе пироэлектрических материалов, потому что тепла от человека или животного на расстоянии нескольких футов достаточно, чтобы создать разницу в заряде.

История

Пироэлектрический эффект был впервые отмечен Теофрастом в 314 г. до н.э., который заметил, что нагретый турмалин притягивает сено и пепел. В 1747 году Каролус Линней был первым ученым, который приписал это явление электричеству, хотя это было доказано Францем Ульрихом Теодором Эпинусом только в 1756 году. Именно сэр Дэвид Брюстер назвал эффект пироэлектрическим эффектом в 1824 году. Оба Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин в 1878 году и Вольдемар Фойгт в 1897 году помогли разработать теорию процессов, лежащих в основе пироэлектричества. В 1880 году Пьер Кюри и его брат Жак Кюри изучали пироэлектричество и открыли ряд механизмов, лежащих в основе пьезоэлектричества.

Группы пироэлектрических кристаллов

Кристаллическую структуру можно разделить на 32 группы в зависимости от количества вращающихся осей и отражающих плоскостей в кристалле, сохраняющих кристаллическую структуру неизменной. Из 32 кристаллических групп 21 нецентросимметрична (не имеет центра симметрии). Из 21 группы 20 проявили прямые пьезоэлектрические свойства, а 1 группа осталась в кубической группе из 432. Десять из 20 пьезоэлектрических групп были полярными — имели спонтанную поляризацию, имели диполь в элементарной ячейке и проявляли пироэлектричество. Если этот диполь можно перевернуть, приложив электрическое поле, то материал является сегнетоэлектриком. Каждый диэлектрический материал развивает диэлектрическую поляризацию при приложении электрического поля. Общий пироэлектрический коэффициент, измеренный при постоянном давлении, представляет собой сумму пироэлектрического коэффициента при постоянном напряжении (первичный пироэлектрический эффект), а также пьезоэлектрического вклада теплового расширения (вторичный пироэлектрический эффект). При определенных условиях полярные материалы не обладают чистым дипольным моментом. В результате для стержневого магнита отсутствует электрическая дипольная эквивалентность, поскольку собственный дипольный момент нейтрализуется «свободными» электрическими зарядами, образующимися на поверхности. Сам «свободный» электрический заряд генерируется за счет внутренней проводимости или из окружающей атмосферы. Новые полярные кристаллы проявляют свои свойства при воздействии методом, временно нарушающим равновесие с уравновешенным поверхностным зарядом. Полярные материалы не обладают чистым дипольным моментом. В результате для стержневого магнита отсутствует электрическая дипольная эквивалентность, поскольку собственный дипольный момент нейтрализуется «свободными» электрическими зарядами, образующимися на поверхности. Сам «свободный» электрический заряд генерируется за счет внутренней проводимости или из окружающей атмосферы. Новые полярные кристаллы проявляют свои свойства при воздействии методом, временно нарушающим равновесие с уравновешенным поверхностным зарядом.

Последнее обновление

Удалось получить различные искусственные пироэлектрические материалы, обычно в виде тонких пленок, из нитрида галлия (GaN), нитрата цезия (CsNO3), поливинилфторида, ряда производных фенилпиразина, фталоцианина кобальта. (См. пироэлектрические кристаллы.) Танталит лития (LiTaO3) — это кристалл, обладающий как пьезоэлектрическими, так и пироэлектрическими свойствами, который использовался для создания мелкомасштабного ядерного синтеза («пироэлектрический синтез»). [1]

Математическое описание

Пироэлектрический коэффициент можно описать как спонтанное изменение вектора поляризации с температурой: где пи PS , я Т {\ displaystyle p_ {i} {\ frac {\ partial P_ {S, i}} {\ partial T}}} pi ( Cm-2K-1) — вектор пироэлектрического коэффициента.

использованная литература

Лэнг, Сидни Б., 2005 г., «Пироэлектричество: от древнего любопытства до современного инструмента визуализации», Physics Today, Vol 60, p.31 [2] Diarsipkan 23 ноября 2007 г., Wayback Machine. Гаучи, Густав, 2002 г., Пьезоэлектрическая сенсорика, Springer, ISBN 3-540-42259-5 [3]

Original article in Indonesian language