Pyroelektricitet – Upptäckt, fysisk grund och tillämpningar
Upptäcktens historia
Legenden säger att de första uppgifterna om pyroelektricitet gjordes av den antika grekiske filosofen och botanikern Theophrastus år 314 f.Kr. Enligt dessa uppteckningar märkte Theophrastus en gång att kristaller av mineralet turmalin, när de värmdes upp, började attrahera bitar av aska och halm. Långt senare, 1707, återupptäcktes fenomenet pyroelektricitet av den tyske gravören Johann Schmidt.
Det finns en annan version, enligt vilken upptäckten av pyroelektricitet tillskrivs den berömda antika grekiska filosofen och resenären Thales of Miletus, som enligt denna version gjorde upptäckten i början av 600-talet f.Kr. N. E. Thales reste till östliga länder och gjorde anteckningar om mineraler och astronomi.
Genom att undersöka gnidad bärnstens förmåga att locka strån och nedåt kunde han vetenskapligt tolka fenomenet elektrifiering genom friktion. Platon skulle senare beskriva denna berättelse i Timaeus-dialogen.Efter Platon, redan på 900-talet, beskrev den persiske filosofen Al-Biruni i sitt verk "Mineralogi" liknande egenskaper hos granatkristaller.
Sambandet mellan pyroelektriciteten hos kristaller och andra liknande elektriska fenomen skulle bevisas och utvecklas 1757, när Franz Epinus och Johann Wilke började studera polariseringen av vissa material när de gnuggade mot varandra.
Efter 127 år kommer den tyske fysikern August Kundt att visa ett levande experiment där han ska värma en turmalinkristall och hälla den genom en sil med en blandning av rött bly och svavelpulver. Svavlet kommer att vara positivt laddat och det röda blyet negativt laddat, vilket resulterar i att det röd-orangeröda blyet färgar ena sidan av turmalinkristallen och den andra sidan täckt av en ljus gulgrå färg. August Kund kylde sedan turmalinen, kristallens "polaritet" ändrades och färgerna bytte plats. Publiken var förtjust.
Kärnan i fenomenet är att när temperaturen på turmalinkristallen ändras med endast 1 grad uppstår ett elektriskt fält på cirka 400 volt per centimeter i kristallen. Observera att turmalin, som all pyroelektrisk, är både och piezoelektrisk (förresten, inte all piezoelektrik är pyroelektrisk).
Fysiska grunder
Fysiskt definieras fenomenet pyroelektricitet som uppkomsten av ett elektriskt fält i kristaller på grund av en förändring i deras temperatur. Temperaturförändringen kan orsakas av direkt uppvärmning, friktion eller strålning. Dessa kristaller inkluderar dielektrika med spontan (spontan) polarisering i frånvaro av yttre påverkan.
Spontan polarisering märks vanligtvis inte eftersom det elektriska fältet det skapar kompenseras av det elektriska fältet av fria laddningar som appliceras på kristallen av den omgivande luften och av kristallens huvuddel. När temperaturen på kristallen ändras ändras också storleken på dess spontana polarisering, vilket leder till uppkomsten av ett elektriskt fält, vilket observeras innan kompensation med fria laddningar inträffar.
En förändring i den spontana polariseringen av pyroelektrik kan initieras inte bara av en förändring i deras temperatur, utan också av mekanisk deformation. Det är därför all pyroelektrik också är piezoelektrisk, men inte all piezoelektrik är pyroelektrisk.Spontan polarisering, det vill säga missanpassningen av tyngdpunkterna för de negativa och positiva laddningarna inuti kristallen, förklaras av den låga naturliga symmetrin hos kristallen.
Tillämpningar av pyroelektricitet
Idag används pyroelektrik som avkänningsanordning för olika ändamål, som en del av strålningsmottagare och detektorer, termometrar m.m. Alla dessa anordningar utnyttjar en nyckelegenskap hos pyroelektriken - vilken typ av strålning som helst som verkar på provet orsakar en förändring i provets temperatur och en motsvarande förändring i dess polarisation. Om i detta fall ytan av provet är täckt med ledande elektroder och dessa elektroder är anslutna med ledningar till mätkretsen, kommer en elektrisk ström att flyta genom denna krets.
Och om det finns ett flöde av någon form av strålning vid ingången till en pyroelektrisk omvandlare, vilket orsakar fluktuationer i temperaturen hos pyroelektriken (periodicitet erhålls till exempel genom artificiell modulering av strålningsintensiteten), då är en elektrisk ström erhålls vid utgången, som också ändras med en viss frekvens .
Fördelarna med pyroelektriska strålningsdetektorer inkluderar: ett oändligt brett spektrum av frekvenser av detekterad strålning, hög känslighet, hög hastighet, termisk stabilitet. Användningen av pyroelektriska mottagare i det infraröda området är särskilt lovande.
De löser faktiskt problemet med att upptäcka lågeffekts termiska energiflöden, mäta kraften och formen på korta laserpulser och mycket känslig beröringsfri och kontakttemperaturmätning (med mikrograders noggrannhet).
Idag diskuteras på allvar möjligheten att använda pyroelektrik för att direkt omvandla termisk energi till elektrisk energi: ett växelflöde av strålningsenergi genererar en växelström i den externa kretsen av ett pyroelektriskt element. Och även om effektiviteten hos en sådan anordning är lägre än de befintliga energiomvandlingsmetoderna, är denna omvandlingsmetod fortfarande ganska acceptabel för vissa speciella applikationer.
Den redan använda möjligheten att använda den pyroelektriska effekten för att visualisera den rumsliga fördelningen av strålning i infraröda bildsystem (nattseende, etc.) är särskilt lovande. Skapade pyroelektriska vidikoner — värmesändande tv-rör med ett pyroelektriskt mål.
Bilden av ett varmt föremål projiceras på ett mål och bygger på det motsvarande lättnad av laddningen, som avläses av en svepelektronstråle. Den elektriska spänningen som skapas av elektronstråleströmmen styr ljusstyrkan på strålen som målar bilden av objektet på skärmen.