Пироелектричност—откриће, физичка основа и примена

Историја открића

Легенда каже да је прве записе о пироелектричности направио старогрчки филозоф и ботаничар Теофраст 314. године пре нове ере. Према овим записима, Теофраст је једном приметио да кристали минерала турмалина, када се загреју, почињу да привлаче комаде пепела и сламе. Много касније, 1707. године, феномен пироелектричности је поново открио немачки гравер Јохан Шмит.

Постоји још једна верзија, према којој се откриће пироелектричности приписује чувеном старогрчком филозофу и путнику Талесу из Милета, који је, према овој верзији, откриће направио почетком 6. века пре нове ере. Н. Е. Путујући у источне земље, Талес је правио белешке о минералима и астрономији.

Истражујући способност протрљаног ћилибара да привлачи сламке и надоле, успео је да научно протумачи феномен наелектрисања трењем. Платон ће касније описао ову причу у Тимејевом дијалогу.После Платона, већ у 10. веку, персијски филозоф Ал-Бируни је у свом делу „Минералогија“ описао слична својства кристала граната.

Веза између пироелектричности кристала и других сличних електричних феномена биће доказана и развијена 1757. године, када су Франц Епинус и Јохан Вилке почели да проучавају поларизацију одређених материјала док се трљају један о други.

После 127 година, немачки физичар Аугуст Кундт ће показати живописан експеримент у коме ће загрејати кристал турмалина и сипати га кроз сито мешавином црвеног олова и сумпорних прахова. Сумпор ће бити позитивно наелектрисан, а црвено олово негативно, што доводи до тога да црвено-наранџасто црвено олово обоји једну страну кристала турмалина, а другу страну прекривену јарко жуто-сивом. Аугуст Кунд је затим охладио турмалин, променио се „поларитет“ кристала и боје су замениле места. Публика је била одушевљена.

Суштина феномена је да када се температура кристала турмалина промени за само 1 степен, у кристалу се појављује електрично поље од око 400 волти по центиметру. Имајте на уму да је турмалин, као и сви пироелектрици, обоје пиезоелектрични (успут, нису сви пиезоелектрици пироелектрици).

Физичке основе

Физички, феномен пироелектричности се дефинише као појава електричног поља у кристалима услед промене њихове температуре. Промена температуре може бити узрокована директним загревањем, трењем или зрачењем. Ови кристали укључују диелектрике са спонтаном (спонтаном) поларизацијом у одсуству спољашњих утицаја.

Спонтана поларизација се обично не примећује јер је електрично поље које ствара надокнађено електричним пољем слободних наелектрисања које на кристал примењује околни ваздух и маса кристала. Када се температура кристала промени, мења се и величина његове спонтане поларизације, што доводи до појаве електричног поља, које се посматра пре него што дође до компензације слободним наелектрисањем.

Промена спонтане поларизације пироелектрика може бити покренута не само променом њихове температуре, већ и механичком деформацијом. Зато су сви пироелектрици и пиезоелектрици, али нису сви пиезоелектрици пироелектрици.Спонтана поларизација, односно неподударност центара гравитације негативног и позитивног наелектрисања унутар кристала, објашњава се ниском природном симетријом кристала.

Примене пироелектричности

Данас се пироелектрици користе као сензори за различите намене, као део пријемника и детектора зрачења, термометара итд. Сви ови уређаји искоришћавају кључну особину пироелектрика — било која врста зрачења која делује на узорак изазива промену температуре узорка и одговарајућу промену у његовој поларизацији. Ако је у овом случају површина узорка прекривена проводљивим електродама и ове електроде су повезане жицама са мерним колом, тада ће кроз ово коло тећи електрична струја.

А ако на улазу пироелектричног претварача постоји проток било које врсте зрачења, што изазива флуктуације температуре пироелектрика (периодичност се добија, на пример, вештачком модулацијом интензитета зрачења), онда је електрична струја добијен на излазу, који се такође мења са одређеном фреквенцијом .

Предности детектора пироелектричног зрачења укључују: бесконачно широк опсег фреквенција детектованог зрачења, високу осетљивост, велику брзину, термичку стабилност. Употреба пироелектричних пријемника у инфрацрвеном региону је посебно обећавајућа.

Они заправо решавају проблем детекције токова топлотне енергије мале снаге, мерења снаге и облика кратких ласерских импулса и високо осетљивог бесконтактног и контактног мерења температуре (са прецизношћу од микростепена).

Данас се озбиљно разматра могућност употребе пироелектрика за директно претварање топлотне енергије у електричну: наизменични ток енергије зрачења генерише наизменичну струју у спољашњем колу пироелектричног елемента. И иако је ефикасност таквог уређаја нижа од постојећих метода конверзије енергије, ипак је за неке посебне примене овај метод конверзије сасвим прихватљив.

Посебно обећавајућа је већ коришћена могућност коришћења пироелектричног ефекта за визуелизацију просторне дистрибуције зрачења у инфрацрвеним системима за снимање (ноћни вид, итд.). Створени пироелектрични видикони — телевизијске цеви које преносе топлоту са пироелектричним циљем.

Слика топлог објекта се пројектује на мету, изграђујући на њој одговарајући рељеф наелектрисања, који се очитава скенирајућим снопом електрона. Електрични напон који ствара струја електронског снопа контролише осветљеност зрака који осликава слику објекта на екрану.