Piroelectricitate

Senzor piroelectric

Piroelectricitatea poate fi descrisă ca proprietatea anumitor materiale de a genera o diferență temporară de potențial între extreme atunci când este încălzită sau răcită. Materialele piroelectrice sunt izolatori și efectul depinde de variația polarizării electrice cu temperatura ^[1] . Pur și simplu, schimbarea temperaturii modifică ușor poziția unor atomi în structura cristalină și, în consecință, modifică polarizarea electrică a materialului. Prin urmare, există o acumulare temporară de sarcini electrice cu semn opus (din care derivă diferența de potențial ) pe fețele opuse ale anumitor cristale ca răspuns la o schimbare de temperatură . Acumularea are loc pe fețe ortogonale la o axă de simetrie cunoscută sub numele de axă termică. Fața care este încărcată pozitiv se numește „pol analog”, în timp ce fața opusă este denumită „pol antilog”.

Efectul nu este permanent, deoarece dacă variația temperaturii rămâne constantă, sarcinile libere din aer anulează diferența de potențial sau pur și simplu curentul de scurgere datorită conductivității slabe a cristalului anulează diferența de potențial.

Această proprietate este utilizată în prezent pentru a produce senzori foarte obișnuiți pentru detectarea radiațiilor infraroșii ^[2] .

Denumirea de piroelectricitate provine din combinația a două cuvinte grecești πυρος , care înseamnă foc, și ἤλεκτρον , care înseamnă chihlimbar din care electricitate.

Există, de asemenea, o piroelectricitate inversă: atunci când se aplică o diferență de potențial între suprafețele unui cristal polar, va exista o variație a temperaturii cristalului în sine. Acest efect apare numai în cristalele care au o polarizare permanentă; structura cristalină predominantă pentru aceste materiale este cea a perovskitelor .

Explicaţie

Dacă stările de energie ale unui cristal pot fi reprezentate ca vârfurile unui triunghi ^[3] care sunt respectiv energia cinetică , electrică și termică , latura dintre vârful electric și cel termic reprezintă efectul piroelectric (nu produce cinetica energetică) . În timp ce latura dintre vârful cinetic și cel electric reprezintă efectul piezoelectric . Latura dintre vârfurile termice și cele cinetice este expansiunea termică simplă.

Sarcinile piroelectrice se dezvoltă pe fețele opuse ale cristalelor asimetrice. Cu excepția cazului în care materialul este feroelectric , direcția câmpului electric din interior este constantă. Toate materialele cunoscute care sunt piroelectrice sunt, de asemenea, piezoelectrice . Deși unele materiale descoperite recent, cum ar fi nitrura de bor aluminiu sau nitrura de bor galiu, sunt piroelectrice, au un răspuns piezoelectric zero de-a lungul axei c (axa termică) pentru unele compoziții ^[4] . Trebuie adăugat că există materiale care sunt piezoelectrice fără a fi piromateriale.

Materialele piroelectrice sunt în principal dure și cristaline, cu toate acestea, piroelectricitatea poate fi obținută și cu materiale moi, cum ar fi electrii din polimeri sintetici ^[5] . Electretele sunt echivalentul electric al magneților.

Relația dintre variația modulului vectorului de polarizare și variația temperaturii se numește coeficient piroelectric ^[6] .

p={\frac {\partial |P_{S}|}{\partial T}}

{\ displaystyle p = {\ frac {\ partial | P_ {S} |} {\ partial T}}}

{\ displaystyle p = {\ frac {\ partial | P_ {S} |} {\ partial T}}}

unde este $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ este coeficientul piroelectric, ${\vec {P}}$ ${\ displaystyle {\ vec {P}}}$ $\ vec P$ este vectorul de polarizare, $S.$ ${\ displaystyle S}$ $S.$ este suprafața normală a vectorului în sine. În sistemul internațional $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ se măsoară în Cm ⁻² K ⁻¹ .

Coeficientul piroelectric total măsurat la tensiune constantă este suma coeficientului piroelectric cu deformare constantă (efect piroelectric primar) și contribuția piezoelectrică datorată expansiunii termice (efect secundar piroelectric). În circumstanțe normale, materialele polare nu au nici un moment net dipolar electric spre deosebire de dipolul magnetic al magneților permanenți. Acest lucru se întâmplă deoarece sarcinile libere care se formează la suprafață sunt neutralizate în timp fie de sarcinile libere ale atmosferei, fie de conductivitatea electrică a materialului care nu este niciodată nulă. Prin urmare, cristalele polare își dezvăluie natura atunci când într-un fel starea este perturbată momentan și, prin urmare, sunt generate sarcini temporare de suprafață.

Polarizarea spontană depinde de temperatură, astfel încât un mediu de inspecție este potrivit pentru schimbarea temperaturii cristalului care determină acumularea de sarcini pe suprafețe: acesta este exact efectul piroelectric. Deoarece toate cristalele polare sunt piroelectrice, cele 10 clase de cristale polare sunt adesea denumite clase piroelectrice.

Istorie

În 314 î.Hr. Teofrast vorbește pentru prima dată despre piroelectricitate menționând că turmalina atrage rumeguș sau paie atunci când este încălzită ^[7] .

În 1707 Johann Georg Schmidt a redescoperit proprietățile turmalinei, dar a mai remarcat că acest mineral atrage cenușa fierbinte, nu una rece ^[8] .

În 1717, Louis Lémery a observat că fragmente de material izolant au fost mai întâi atrase de turmalină, dar apoi au fost respinse odată ce au intrat în contact (încărcarea cu aceeași sarcină a dus la respingere electrostatică) ^[9] .

În 1747 Linnaeus a fost primul care a conectat fenomenul la electricitate (el a numit turmalina Lapidem Electricum (piatră electrică) ^[10] . Trebuie adăugat că acest lucru a fost dovedit abia în 1756 de Franz Ulrich Theodor Aepinus ^[11] .

În 1824 David Brewster a dat efectului numele pe care îl dăm astăzi ^[12] .

În 1878 lordul Kelvin a dezvoltat teoria din spatele piroelectricității ^[13] . Dar trebuie să menționăm și contribuția importantă din 1897 a lui Woldemar Voigt ^[14] .

Clase de cristale

Există 32 de clase de structuri cristaline bazate pe numărul de axe de rotație și pe planurile de reflecție care lasă structura cristalină în jurul unui punct neschimbată. Dintre cele treizeci și două de clase, douăzeci și una nu sunt simetrice în jurul centrului și dintre acestea douăzeci sunt piezoelectrice, restul nu sunt cubice din clasa 432. Zece din cele 20 de clase piezoelectrice sunt polare, adică posedă o polarizare spontană , având un dipol electric în celula lor unitar și, prin urmare, sunt piroelectrici. Dacă acest dipol poate fi inversat de un câmp electric, materialul este și feroelectric . Polarizarea electrostatică se dezvoltă în orice material dielectric deoarece este scufundat într-un câmp electric, dar numai substanțele care au o separare naturală a sarcinilor în absența unui câmp sunt numite materiale polare. Dacă un material este polar sau nu depinde doar de structura sa cristalină. Doar 10 din cele 32 de clase de simetrie punctuală sunt polare și, prin urmare, piroelectrice:

Clase de cristale piezoelectrice: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

Clase de cristale piroelectrice: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm

Efecte conexe

Două efecte care sunt puternic legate de piroelectricitate sunt feroelectricitatea și piezoelectricitatea . În mod normal, materialele sunt practic neutre la nivel macroscopic, însă sarcinile pozitive și negative, care alcătuiesc materialul, nu sunt distribuite neapărat într-un mod simetric; dacă suma încărcării ori distanța tuturor elementelor celulei de bază nu este zero, celula are un moment dipol electric (o cantitate vectorială). Momentul dipolar electric pe unitate de volum este definit ca vectorul de polarizare electrică . Dacă acest moment dipolar se schimbă din cauza temperaturii, câmpului electric aplicat sau presiunii, materialul este piroelectric, feroelectric sau respectiv piezoelectric.

Efectul feroelectric apare la materialele care posedă o polarizare electrică în absența unui câmp extern aplicat și a căror polarizare poate fi inversată dacă câmpul electric extern, de intensitate adecvată, este inversat. Deoarece toate materialele feroelectrice au polarizare spontană, ele sunt și ele piroelectrice, dar inversul nu este adevărat: există materiale piroelectrice care nu sunt feroelectrice.

Efectul piezoelectric se manifestă în cristale (cum ar fi cuarțul sau ceramica) pentru care apare o diferență de potențial la capetele materialului atunci când este comprimat. Similar efectului piroelectric, fenomenul se datorează structurii asimetrice a cristalului care permite ionilor să se miște mai ușor într-o direcție decât în alta. Pe măsură ce se aplică presiune, cele două părți ale cristalului sunt încărcate una față de cealaltă și, ca rezultat, o potențială cădere se dezvoltă peste cristal.

Piroelectricitatea nu trebuie confundată cu termoelectricitatea , în cazul piroelectricității dacă temperatura întregului cristal este modificată apare o diferență temporară de potențial, dimpotrivă în cazul termoelectricității o parte a dispozitivului este menținută la o temperatură diferită de cea unei alte părți și se dezvoltă o diferență de potențial permanentă atâta timp cât diferența de temperatură rămâne. Ambele efecte transformă modificările de temperatură în diferențe de potențial, dar efectul piroelectric transformă modificările de temperatură temporale în diferențe de potențial, în timp ce efectul termoelectric convertește modificările de temperatură spațială în potențiale electrice.

Notă

^ Ashcroft, NW & Mermin, ND Physical State Physics. (1976) pp. 554-555
^ Erik Bründermann, Heinz-Wilhelm Hübers, Maurice FitzGerald Kimmitt, Terahertz Techniques , Springer, pp 185-190, (2012)
^ Relva C. Buchanan, Ceramic Materials for Electronics: Third Edition, Revised and Expanded , Third, Cincinnati, Ohio, Marcel Dekker, Inc., 2004, p. 217, ISBN 978-0-8247-4028-3 . Adus la 10 noiembrie 2015 .
^ Kaikai Liu, aliaje Wurtzite BAlN și BGaN pentru ingineria polarizării heterointerfeței , în Litere de fizică aplicată , vol. 111, nr. 22, 2017, p. 222106, DOI : 10.1063 / 1.5008451 .
^ F. Darbaniyan și P. Sharma, Designing Soft Pyroelectric and Electrocaloric Materials Using Electrets , în Soft Matter , 2018.
^ Dragan Damjanovic, Proprietăți ferroelectrice, dielectrice și piezoelectrice ale filmelor subțiri feroelectrice și ale ceramicii , în Rep. Prog. Fizic. , vol. 61, 1998, pp. 1267-1324, DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 61/9/002 .
^ Earle R. Caley și John FC Richards, Theophrastus: On Stones (Columbus, Ohio: Ohio State University, 1956)
^ Johann Georg Schmidt, Curiöse Speculationes bey Schalflosen Nächten (Chemnitz și Leipzig): Conrad Stössen, 1707), p. 269-270.
^ "Diverse observations de la physique generale," Histoire de l'Académie des Sciences (1717); vezi paginile 7-8
^ Carl von Linné (, Flora Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae (Stockholm, Suedia: Laurentii Salvii, 1747), pagina 8
^ Aepinus (1756) "Memoire concernant quelques nouvelles experiences électriques remarquables", Histoire de l'Académie royale des sciences et des belles lettres (Berlin), vol. 12, paginile 105-121
^ David Brewster, Observations of the pyro-electric of minerals , în The Edinburgh Journal of Science , vol. 1, 1824, pp. 208-215.
^ William Thomson (1878) „Despre proprietățile termoelastice, termomagnetice și piroelectrice ale materiei”, Philosophical Magazine , seria 5, vol. 5, paginile 4 - 26
^ W. Voigt (1897) "Versuch zur Bestimmung des wahren specifischen electrischen Momentes eines Turmalins" (Experiment pentru a determina adevăratul moment electric specific unei turmaline), Annalen der Physik , vol. 60, paginile 368 - 375

Elemente conexe

linkuri externe

( EN ) Pyroelectricity , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
stiu.
( EN ) Materiale piroelectrice , pe doitpoms.ac.uk . Adus 4-1-2010 . Tutorial Cambridge University

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 44333 · LCCN (RO) sh85109341 · BNF (FR) cb12259330r (data)

Portalul de fizică	Portal de inginerie
Portalul de materiale	Portal de mineralogie

[1] Ashcroft, NW & Mermin, ND Physical State Physics. (1976) pp. 554-555

[2] Erik Bründermann, Heinz-Wilhelm Hübers, Maurice FitzGerald Kimmitt, Terahertz Techniques , Springer, pp 185-190, (2012)

[3] Relva C. Buchanan, Ceramic Materials for Electronics: Third Edition, Revised and Expanded , Third, Cincinnati, Ohio, Marcel Dekker, Inc., 2004, p. 217, ISBN 978-0-8247-4028-3 . Adus la 10 noiembrie 2015 .

[4] Kaikai Liu, aliaje Wurtzite BAlN și BGaN pentru ingineria polarizării heterointerfeței , în Litere de fizică aplicată , vol. 111, nr. 22, 2017, p. 222106, DOI : 10.1063 / 1.5008451 .

[5] F. Darbaniyan și P. Sharma, Designing Soft Pyroelectric and Electrocaloric Materials Using Electrets , în Soft Matter , 2018.

[6] Dragan Damjanovic, Proprietăți ferroelectrice, dielectrice și piezoelectrice ale filmelor subțiri feroelectrice și ale ceramicii , în Rep. Prog. Fizic. , vol. 61, 1998, pp. 1267-1324, DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 61/9/002 .

[7] Earle R. Caley și John FC Richards, Theophrastus: On Stones (Columbus, Ohio: Ohio State University, 1956)

[8] Johann Georg Schmidt, Curiöse Speculationes bey Schalflosen Nächten (Chemnitz și Leipzig): Conrad Stössen, 1707), p. 269-270.

[9] "Diverse observations de la physique generale," Histoire de l'Académie des Sciences (1717); vezi paginile 7-8

[10] Carl von Linné (, Flora Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae (Stockholm, Suedia: Laurentii Salvii, 1747), pagina 8

[11] Aepinus (1756) "Memoire concernant quelques nouvelles experiences électriques remarquables", Histoire de l'Académie royale des sciences et des belles lettres (Berlin), vol. 12, paginile 105-121

[12] David Brewster, Observations of the pyro-electric of minerals , în The Edinburgh Journal of Science , vol. 1, 1824, pp. 208-215.

[13] William Thomson (1878) „Despre proprietățile termoelastice, termomagnetice și piroelectrice ale materiei”, Philosophical Magazine , seria 5, vol. 5, paginile 4 - 26

[14] W. Voigt (1897) "Versuch zur Bestimmung des wahren specifischen electrischen Momentes eines Turmalins" (Experiment pentru a determina adevăratul moment electric specific unei turmaline), Annalen der Physik , vol. 60, paginile 368 - 375

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]