Piroelektrība — atklāšana, fiziskā bāze un pielietojumi

Atklājumu vēsture

Leģenda vēsta, ka pirmos ierakstus par piroelektrību veica sengrieķu filozofs un botāniķis Teofrasts 314. gadā pirms mūsu ēras. Saskaņā ar šiem ierakstiem Teofrasts reiz pamanīja, ka minerāla turmalīna kristāli, karsējot, sāka piesaistīt pelnu un salmu gabalus. Daudz vēlāk, 1707. gadā, piroelektrības fenomenu no jauna atklāja vācu gravieris Johans Šmits.

Ir arī cita versija, saskaņā ar kuru piroelektrības atklājums tiek piedēvēts slavenajam sengrieķu filozofam un ceļotājam Thales of Miletus, kurš saskaņā ar šo versiju atklājumu veicis 6. gadsimta sākumā pirms mūsu ēras. N. E. Ceļojot uz austrumu valstīm, Talss veica piezīmes par minerāliem un astronomiju.

Pētot berzēta dzintara spēju piesaistīt salmus un uz leju, viņš varēja zinātniski interpretēt elektrifikācijas fenomenu ar berzi. Platons vēlāk aprakstīja šo stāstu Timaja dialogā.Pēc Platona jau 10. gadsimtā persiešu filozofs Al-Biruni savā darbā "Mineraloģija" aprakstīja līdzīgas granāta kristālu īpašības.

Saikne starp kristālu piroelektriskumu un citām līdzīgām elektriskām parādībām tiktu pierādīta un attīstīta 1757. gadā, kad Francs Epinuss un Johans Vilks sāka pētīt noteiktu materiālu polarizāciju, tiem berzējoties viens pret otru.

Pēc 127 gadiem vācu fiziķis Augusts Kunds rādīs spilgtu eksperimentu, kurā viņš uzsildīs turmalīna kristālu un izlej to caur sietu ar sarkano svina un sēra pulveru maisījumu. Sērs būs pozitīvi lādēts un sarkanais svins negatīvi, kā rezultātā sarkani oranžs sarkans svins iekrāso vienu turmalīna kristāla pusi, bet otru – spilgti dzeltenpelēkā krāsā. Augusts Kunds pēc tam atdzesēja turmalīnu, kristāla "polaritāte" mainījās un krāsas mainījās vietām. Publika bija sajūsmā.

Parādības būtība ir tāda, ka turmalīna kristāla temperatūrai mainoties tikai par 1 grādu, kristālā parādās elektriskais lauks aptuveni 400 voltu uz centimetru. Ņemiet vērā, ka turmalīns, tāpat kā visi piroelektriskie izstrādājumi, ir abi pjezoelektrisks (starp citu, ne visi pjezoelektriskie ir piroelektriskie).

Fiziskie pamati

Fiziski piroelektrības fenomenu definē kā elektriskā lauka parādīšanos kristālos to temperatūras izmaiņu dēļ. Temperatūras izmaiņas var izraisīt tieša karsēšana, berze vai starojums. Šie kristāli ietver dielektriķus ar spontānu (spontānu) polarizāciju, ja nav ārējas ietekmes.

Spontāna polarizācija parasti netiek pamanīta, jo tās radīto elektrisko lauku kompensē brīvo lādiņu elektriskais lauks, ko uz kristālu pieliek apkārtējais gaiss un kristāla lielākā daļa. Mainoties kristāla temperatūrai, mainās arī tā spontānās polarizācijas lielums, kas izraisa elektriskā lauka parādīšanos, kas tiek novērots pirms kompensācijas ar brīviem lādiņiem.

Piroelektriķu spontānās polarizācijas izmaiņas var izraisīt ne tikai to temperatūras izmaiņas, bet arī mehāniska deformācija. Tāpēc visi piroelektriķi ir arī pjezoelektriskie, bet ne visi pjezoelektriskie ir piroelektriskie.Spontāna polarizācija, tas ir, kristāla iekšienē esošo negatīvo un pozitīvo lādiņu smaguma centru nesakritība, ir izskaidrojama ar kristāla zemo dabisko simetriju.

Piroelektrības pielietojumi

Mūsdienās piroelektriķus izmanto kā sensoru ierīces dažādiem mērķiem, kā daļu no starojuma uztvērējiem un detektoriem, termometriem utt. Visas šīs ierīces izmanto galveno piroelektrisko īpašību — jebkura veida starojums, kas iedarbojas uz paraugu, izraisa parauga temperatūras izmaiņas un atbilstošas ​​tā polarizācijas izmaiņas. Ja šajā gadījumā parauga virsma ir pārklāta ar vadošiem elektrodiem un šie elektrodi ir savienoti ar vadiem ar mērīšanas ķēdi, tad caur šo ķēdi plūdīs elektriskā strāva.

Un, ja piroelektriskā pārveidotāja ieejā notiek jebkāda veida starojuma plūsma, kas izraisa piroelektriskā temperatūras svārstības (periodiskums tiek iegūts, piemēram, mākslīgi modulējot starojuma intensitāti), tad elektriskā strāva ir iegūta izejā, kas arī mainās ar noteiktu frekvenci .

Piroelektriskā starojuma detektoru priekšrocības ietver: bezgalīgi plašu uztvertā starojuma frekvenču diapazonu, augstu jutību, lielu ātrumu, termisko stabilitāti. Piroelektrisko uztvērēju izmantošana infrasarkanajā reģionā ir īpaši daudzsološa.

Tie faktiski atrisina mazjaudas siltumenerģijas plūsmu noteikšanu, īsu lāzera impulsu jaudas un formas mērīšanu, kā arī ļoti jutīgu bezkontakta un kontakta temperatūras mērīšanu (ar mikrogrādu precizitāti).

Mūsdienās tiek nopietni apspriesta iespēja izmantot piroelektriķus, lai tieši pārvērstu siltumenerģiju elektroenerģijā: mainīga starojuma enerģijas plūsma rada maiņstrāvu piroelektriskā elementa ārējā ķēdē. Un, lai gan šādas ierīces efektivitāte ir zemāka par esošajām enerģijas pārveidošanas metodēm, tomēr dažiem īpašiem lietojumiem šī pārveidošanas metode ir diezgan pieņemama.

Īpaši daudzsološa ir jau izmantotā iespēja izmantot piroelektrisko efektu, lai vizualizētu starojuma telpisko sadalījumu infrasarkanās attēlveidošanas sistēmās (nakts redzamība utt.). Izveidoti piroelektriskie vidikoni — siltumu raidošas televīzijas lampas ar piroelektrisko mērķi.

Silta objekta attēls tiek projicēts uz mērķa, veidojot uz tā atbilstošo lādiņa reljefu, ko nolasa skenējošais elektronu stars. Elektriskais spriegums, ko rada elektronu staru strāva, kontrolē staru kūļa spilgtumu, kas krāso objekta attēlu uz ekrāna.