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 условию).
Любое изменение температуры таких кристаллов вызывает изменение их спонтанной поляризации. Некоторые пироэлектрики также являются сегнетоэлектриками, то есть обладают способностью проявлять обратимую электрическую поляризацию под воздействием внешнего электрического поля, что расширяет их функциональные возможности в качестве активных материалов.
Некоторые жидкие кристаллы, керамика и правильно приготовленные полимеры также обладают пироэлектрическими свойствами, что позволяет создавать гибкие, легкие и экономичные сенсорные устройства.
Наиболее популярными пироэлектриками являются:
-
триглицинсульфат (ТГС) и большое семейство изоморфных соединений, отличающихся высокой пироэлектрической чувствительностью и низким уровнем шума;
-
поливинилиденфторид — полимер, который легко производить в виде тонкой пленки, широко применяемый в гибких и носимых устройствах благодаря хорошим механическим свойствам и пироэлектрическим характеристикам;
-
большая группа материалов из семейства перовскитов, обладающих высокими пироэлектрическими коэффициентами и стабильностью при высоких температурах;
-
модифицированный цирконат свинца, который часто используется для повышения термостойкости и улучшения электрофизических свойств кристаллов;
-
титанат свинца, известный своей высокой пьезо- и пироэлектрической активностью, применяемый в датчиках и актуаторах;
-
германат свинца — материал с хорошими пироэлектрическими параметрами и устойчивостью к внешним воздействиям.
Кроме того, современные исследования активно ведутся в области наноструктурированных пироэлектриков и композитных материалов, позволяющих повысить чувствительность и адаптировать свойства пироэлектриков под специфические задачи в оптоэлектронике, микросистемной технике и биомедицине.
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.
Такой ток пропорционален скорости изменения температуры, что делает пироэлектрические приемники особенно чувствительными к переменным или импульсным сигналам. При этом постоянные или медленно изменяющиеся компоненты излучения практически не регистрируются, что позволяет эффективно выделять изменяющиеся сигналы на фоне стабильных тепловых условий.
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 действительно решают проблему детектирования потоков тепловой энергии малой мощности, измерения мощности и формы коротких лазерных импульсов, а также высокочувствительного бесконтактного и контактного измерения температуры с точностью до микроградуса.
Пироэлектрические приемники, являясь тепловыми приемниками, работают как генераторы напряжения с емкостным внутренним сопротивлением, что делает их пригодными для регистрации переменных потоков излучения с высокими частотами модуляции (до 50 МГц и выше). Они применяются для регистрации излучения от инфракрасного до гамма-диапазонов (от 1010 до 1020 Гц) с диапазоном регистрируемой мощности от 10?9 до
109 Вт.
Сегодня обсуждается возможность использования пироэлектриков для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, где переменный поток излучения вызывает переменный ток во внешней цепи пироэлектрического элемента. Хоть КПД таких устройств меньше, чем у традиционных способов преобразования энергии, этот метод принимает особое значение для специализированных применений.
Особенно перспективно применение пироэлектрического эффекта для визуализации пространственного распределения излучений в системах ИК-изображений, таких как ночное видение. Для этого созданы пироэлектрические видиконы — тепловые телевизионные трубки с пироэлектрической мишенью, которые формируют изображение объекта в виде зарядового рельефа, считываемого электронным пучком.
Высокие потенциалы, создаваемые пироэлектрическими кристаллами, позволяют использовать их для ускорения ионов до высоких скоростей, что применялось для индуцирования холодного ядерного синтеза. Несмотря на ограниченные масштабы явления, это позволило создать миниатюрные источники нейтронов.
К дополнительным достоинствам пироэлектрических приемников относят низкий уровень фиксированного пространственного шума, что улучшает минимальное температурное разрешение в реальных условиях по сравнению с другими неохлаждаемыми ИК-датчиками, например микроболометрами. Кроме того, пироэлектрические приемники не чувствительны к фоновому излучению комнатной температуры, что уменьшает требования к калибровке и обработке сигнала.
Пироэлектрические приемники излучения являются высокоэффективными, универсальными и перспективными устройствами для широкого спектра задач в области инфракрасной оптики, энергетики, медицины и науки.
Андрей Повный