Пироелектричество — откриване, физически основи и приложения

История на откритията

Легендата разказва, че първите записи за пироелектричеството са направени от древногръцкия философ и ботаник Теофраст през 314 г. пр.н.е. Според тези записи Теофраст веднъж забелязал, че кристалите на минерала турмалин, когато се нагреят, започват да привличат парчета пепел и слама. Много по -късно, през 1707 г., явлението пироелектричество е преоткрито от германския гравьор Йохан Шмит.

Има и друга версия, според която откритието на пироелектричеството се приписва на известния древногръцки философ и пътешественик Талес от Милет, който според тази версия е направил откритието в началото на VI в. Пр. Н. Е. Пътувайки до източните страни, Талес си прави бележки за минералите и астрономията.

Изследвайки способността на натрития кехлибар да привлича сламки и надолу, той успя да интерпретира научно явлението електрификация чрез триене. По -късно Платон ще опише тази история в диалога в Тимей. След Платон, още през X век, персийският философ Ал-Бируни в своята работа „Минералогия“ описва подобни свойства на гранатовите кристали.

Връзката между пироелектричеството на кристалите и други подобни електрически явления ще бъде доказана и развита през 1757 г., когато Франц Епинус и Йохан Уилке започват да изучават поляризацията на определени материали, докато се търкат един в друг.

След 127 години немският физик Август Кундт ще покаже ярък експеримент, в който ще загрее турмалинов кристал и ще го изсипе през сито със смес от червени оловни и серни прахове. Сярата ще бъде заредена положително, а червеното олово — отрицателно, в резултат на което червено -оранжевото червено олово ще оцвети едната страна на турмалиновия кристал, а другата страна ще бъде покрита с ярко жълто сиво. След това Август Кунд охлажда турмалина, «полярността» на кристала се променя и цветовете сменят местата си. Публиката беше възхитена.

Същността на явлението е, че когато температурата на кристала на турмалина се промени само с 1 градус, в кристала се появява електрическо поле от около 400 волта на сантиметър. Обърнете внимание, че турмалинът, както всички пироелектрици, е и двете пиезоелектрик (между другото, не всички пиезоелектрици са пироелектрици).

Физически основи

Физически явлението пироелектричество се определя като появата на електрическо поле в кристалите поради промяна в тяхната температура. Промяната на температурата може да бъде причинена от директно нагряване, триене или радиация. Тези кристали включват диелектрици със спонтанна (спонтанна) поляризация при отсъствие на външни влияния.

Спонтанната поляризация обикновено не се забелязва, тъй като създаденото от нея електрическо поле се компенсира от електрическото поле на свободни заряди, които се нанасят върху кристала от околния въздух и от по -голямата част от кристала. При промяна на температурата на кристала се променя и величината на неговата спонтанна поляризация, което води до появата на електрическо поле, което се наблюдава преди да настъпи компенсация със свободни заряди.

Промяна в спонтанната поляризация на пироелектриците може да бъде инициирана не само от промяна в тяхната температура, но и от механична деформация. Ето защо всички пироелектрици също са пиезоелектрици, но не всички пиезоелектрици са пироелектрици.Спонтанната поляризация, тоест несъответствието на центровете на тежестта на отрицателните и положителните заряди вътре в кристала, се обяснява с ниската естествена симетрия на кристала.

Приложения на пироелектричество

Днес пироелектриците се използват като сензорни устройства за различни цели, като част от приемници и детектори на радиация, термометри и др. Всички тези устройства използват ключово свойство на пироелектриците — всеки вид радиация, действаща върху пробата, води до промяна в температура на пробата и до съответната промяна в нейната поляризация. Ако в този случай повърхността на пробата е покрита с проводими електроди и тези електроди са свързани чрез проводници към измервателната верига, тогава през тази верига ще протече електрически ток.

И ако на входа на пироелектрически преобразувател има поток от всякакъв вид радиация, който причинява колебания в температурата на пироелектрика (периодичността се получава например чрез изкуствена модулация на интензитета на излъчване), тогава се получава електрически ток на изхода, който също се променя с определена честота.

Предимствата на детекторите за пироелектрична радиация включват: безкрайно широк диапазон от честоти на откритата радиация, висока чувствителност, висока скорост, термична стабилност. Използването на пироелектрически приемници в инфрачервената област е особено обещаващо.

Те всъщност решават проблема с откриването на потоци топлинна енергия с ниска мощност, измерване на мощността и формата на къси лазерни импулси и високочувствително безконтактно и контактно измерване на температурата (с точност до микроградус).

Днес възможността за използване на пироелектрици за директно преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия се обсъжда сериозно: променлив поток от лъчиста енергия генерира променлив ток във външната верига на пироелектричен елемент. И въпреки че ефективността на такова устройство е по -ниска от съществуващите методи за преобразуване на енергия, все пак за някои специални приложения този метод на преобразуване е доста приемлив.

Използваната вече възможност за използване на пироелектрическия ефект за визуализиране на пространственото разпределение на радиацията в системите за получаване на инфрачервени изображения (нощно виждане и др.) Е особено обещаваща. Създадени пироелектрически видикони — предаващи топлинни телевизионни тръби с пироелектрична мишена.

Изображението на топъл обект се проектира върху мишена, изгражда върху нея съответния релеф на заряда, който се чете от сканиращ електронен лъч. Електрическото напрежение, създадено от тока на електронния лъч, контролира яркостта на лъча, който рисува изображението на обекта на екрана.