Пироэлектрик (от греческого «Pyr», «огонь» и электричество) — материал, способный генерировать электрический заряд под воздействием изменения температуры.
Пироэлектричество — электрическое поле, возникающее в некоторых кристаллах при нагревании материала.
Пироэлектрический эффект — это способность некоторых кристаллов генерировать электрический заряд при изменении температуры. Явление пироэлектричества похоже на пьезоэлектрическое явление, при котором электрический заряд создается на поверхности кристалла при механическом сжатии.
В отличие от термоэлектрического эффекта для возникновения пироэффекта не требуется температурный градиент, достаточно нагрева всего кристалла.
Пироэлектрические эффекты можно увидеть только на кристаллах, которые являются хорошими диэлектриками. После стабилизации температуры кристалл постепенно разряжается из-за утечки заряда.
История открытия
Легенда гласит, что первые записи о пироэлектричестве сделал древнегреческий философ и ботаник Теофрастус в 314 году до нашей эры.
Согласно этим записям, Теофрастус как-то заметил, что кристаллы минерала турмалин, будучи разогреты, начинают притягивать к себе кусочки пепла и соломы. Значительно позже, в 1707 году, явление пироэлектричества было открыто вновь немецким гравером Иоганном Шмидтом.
Есть и другая версия, по которой открытие пироэлектричества приписывают известному древнегреческому философу и путешественнику Фалесу Милетскому, который, если верить этой версии, сделал открытие в начале VI века до нашей эры. Путешествуя по восточным странам, Фалес делал заметки о минералах и астрономии.
Исследуя способность натертого янтаря притягивать соломинки и пух, он сумел научно истолковать явление электризации трением. Позже Платон опишет данный рассказ в диалоге «Тимей». После Платона, уже в X веке, персидский философ Аль-Бируни в работе «Минералогия» опишет аналогичные свойства кристаллов граната.
Взаимосвязь пироэлектричества кристаллов с другими похожими электрическими явлениями будет доказана и развита в 1757 году, когда Франц Эпинус и Йохан Вильке начнут исследовать поляризацию определенных материалов при их трении друг о друга.
Через 127 лет немецкий физик Август Кундт покажет яркий эксперимент, в котором разогреет кристалл турмалина и осыпет его через сито смесью порошков сурика и серы. Сера зарядится положительно, а сурик — отрицательно, в итоге красно-оранжевый сурик окрасит собой одну сторону кристалла турмалина, а другая сторона будет покрыта ярко-желтой серой. После этого Август Кундт охладил турмалин, «полярность» кристалла изменилась и цвета поменялись местами. Публика была в восторге.
Суть явления заключается в том, что при изменении температуры кристалла турмалина всего на 1 градус, в кристалле возникает электрическое поле напряженностью около 400 вольт на сантиметр. Заметим, что турмалин, как и все пироэлектрики, является одновременно и пьезоэлектриком (кстати, далеко не все пьезоэлектрики являются пироэлектриками).
Физические основы
Физически явление пироэлектричества определяется как возникновение электрического поля в кристаллах вследствие изменения их температуры. Причиной изменения температуры может быть прямой нагрев, трение или облучение. К таким кристаллам относятся диэлектрики, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в отсутствие воздействий извне.
Спонтанная поляризация обычно не заметна, поскольку создаваемое ей электрическое поле скомпенсировано электрическим полем свободных зарядов натекающих на кристалл из окружающего воздуха и из объема кристалла. Когда температура кристалла изменяется, изменяется и величина его спонтанной поляризации, что ведет к возникновению электрического поля, которое наблюдаемо до того как наступит компенсация свободными зарядами.
Изменение спонтанной поляризации пироэлектриков может инициироваться не только изменением их температуры, но и механической деформацией. Вот почему все пироэлектрики являются одновременно и пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики являются пироэлектриками. Спонтанная поляризация, то есть несовпадение центров тяжести отрицательных и положительных зарядов внутри кристалла, объясняется низкой природной симметрией кристалла.
Пироэлектрики
Пироэлектрики обычно представляют собой вещества с кристаллической структурой, характеризующиеся ионными связями и элементарной ячейкой без центра симметрии (поэтому все они являются пьезоэлектриками), но с полярными осями симметрии (из всего 32 классов симметрии 10 соответствуют этому условие).
Любое изменение температуры таких кристаллов вызывает изменение их спонтанной поляризации. Некоторые пироэлектрики также являются сегнетоэлектриками.
Некоторые жидкие кристаллы, керамика и правильно приготовленные полимеры также обладают пироэлектрическими свойствами. Наиболее популярными пироэлектриками являются:
- триглицинсульфат (ТГС) и большое семейство изоморфных соединений;
- поливинилиденфторид - полимер, который легко производить в виде тонкой пленки;
- большая группа материалов из семейства перовскитов;
- модифицированный цирконат свинца;
- титанат свинца;
- германат свинца.
[banner_adsense]
Применение пироэлектричества
Сегодня пироэлектрики применяются в качестве сенсорных устройств разнообразного назначения, в составе приемников и детекторов излучений, термометров и т. д.
Во всех этих устройствах используется ключевое свойство пироэлектриков - любой вид действующей на образец радиации приводит к изменению температуры образца и к соответствующему изменению его поляризации.
Если при этом поверхность образца покрыта проводящими электродами и данные электроды присоединены проводниками к измерительной цепи, то по этой цепи будет протекать электрический ток.
И если на входе пироэлектрического преобразователя имеется поток любого вида радиации, вызывающий колебания температуры пироэлектрика (периодичность получается например искусственной модуляцией интенсивности излучения), то на выходе получается электрический ток, также изменяющийся с определенной частотой.
К преимуществам пироэлектрических приемников излучения относятся: неограниченно широкий диапазон частот детектируемой радиации, высокая чувствительность, высокое быстродействие, термостойкость. Особенно перспективно применение пироэлектрических приемников в области ИК-частот.
Они в действительности решают проблему детектирования потоков тепловой энергии малой мощности, измерения мощности и формы коротких лазерных импульсов, высокочувствительного бесконтактного и контактного измерения температуры (с точностью до микроградуса).
Сегодня всерьез обсуждается возможность применения пироэлектриков для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую: переменный поток лучистой энергии порождает переменный ток во внешней цепи пироэлектрического элемента.
И хотя КПД подобного устройства уступает уже имеющимся способам преобразования энергии, все же для некоторых специальных применений данный способ преобразования является волне приемлемым.
Особенно перспективна уже используемая возможность применения пироэлектрического эффекта для визуализации пространственного распределения излучений в системах получения ИК-изображений (ночное видение и т.п.). Созданы пироэлектрические видиконы — передающие тепловые телевизионные трубки с пироэлектрической мишенью.
Изображение теплого объекта проецируется на мишень, строит на ней соответствующий зарядовый рельеф, который считывается сканирующим электронным пучком. Создаваемое током электронного пучка электрическое напряжение управляет яркостью луча, рисующего изображение объекта на экране.
Потенциалы, создаваемые пироэлектрическими кристаллами, настолько высоки, что их можно использовать для ускорения ионов до высоких скоростей. Этот факт был использован для индуцирования холодного синтеза атомных ядер. Масштабы явления недостаточно велики для использования в энергетических целях, но позволяют построить миниатюрный источник нейтронов.