Пироэлектричество - Pyroelectricity

Не путать с термоэлектричеством , другим тепловым эффектом с другим механизмом.
Пироэлектрический датчик

Пироэлектричество (от двух греческих слов pyr, означающих огонь и электричество ) - это свойство некоторых кристаллов, которые естественно электрически поляризованы и в результате содержат большие электрические поля. Пироэлектричество можно описать как способность определенных материалов генерировать временное напряжение при нагревании или охлаждении. Изменение температуры немного изменяет положения атомов в кристаллической структуре , так что поляризация материала изменяется. Это изменение поляризации вызывает повышение напряжения на кристалле. Если температура остается постоянной на своем новом значении, пироэлектрическое напряжение постепенно исчезает из-за тока утечки . Утечка может быть связана с движением электронов через кристалл, движением ионов по воздуху или утечкой тока через вольтметр, прикрепленный поперек кристалла.

Объяснение

Пироэлектричество можно представить себе как одну сторону треугольника, где каждый угол представляет энергетические состояния кристалла: кинетическую , электрическую и тепловую энергии. Сторона между электрическим и тепловым углами представляет собой пироэлектрический эффект и не производит кинетической энергии . Сторона между кинетическим и электрическим углами представляет собой пьезоэлектрический эффект и не выделяет тепла .

Пироэлектрический заряд в минералах развивается на противоположных гранях асимметричных кристаллов. Направление распространения заряда обычно постоянно в пироэлектрическом материале, но в некоторых материалах это направление может быть изменено близлежащим электрическим полем. Утверждается, что эти материалы обладают сегнетоэлектричеством . Все известные пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектрическими . Несмотря на то, что они пироэлектрические, новые материалы, такие как нитрид бора-алюминия (BAlN) и нитрид бора-галлия (BGaN), имеют нулевой пьезоэлектрический отклик на деформацию вдоль оси c при определенных составах, причем эти два свойства тесно связаны. Однако обратите внимание, что некоторые пьезоэлектрические материалы обладают симметрией кристалла, которая не допускает пироэлектричество.

Пироэлектрические материалы в основном твердые и кристаллы, однако мягкое пироэлектричество может быть достигнуто с помощью электретов .

Пироэлектричество измеряется как изменение суммарной поляризации (вектора), пропорциональное изменению температуры. Общий пироэлектрический коэффициент, измеренный при постоянном напряжении, представляет собой сумму пироэлектрических коэффициентов при постоянной деформации (первичный пироэлектрический эффект) и пьезоэлектрического вклада от теплового расширения (вторичный пироэлектрический эффект). В нормальных условиях даже полярные материалы не демонстрируют суммарный дипольный момент. Как следствие, не существует электрических дипольных эквивалентов стержневых магнитов, потому что собственный дипольный момент нейтрализуется «свободным» электрическим зарядом, который накапливается на поверхности за счет внутренней проводимости или из окружающей атмосферы. Полярные кристаллы раскрывают свою природу только тогда, когда их каким-то образом возмущают, что на мгновение нарушает баланс с компенсирующим поверхностным зарядом.

Спонтанная поляризация зависит от температуры, поэтому хороший датчик возмущений - это изменение температуры, которое вызывает поток заряда к поверхностям и от них. Это пироэлектрический эффект. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, поэтому 10 классов полярных кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами. Пироэлектрические материалы могут использоваться в качестве детекторов инфракрасного и миллиметрового излучения.

Электретное это электрический эквивалент постоянного магнита.

Математическое описание

Пироэлектрический коэффициент можно описать как изменение вектора спонтанной поляризации с температурой:

где p i (Cm −2 K −1 ) - вектор пироэлектрического коэффициента.

История

Первое упоминание о пироэлектрическом эффекте можно найти в трудах Теофраста (ок. 314 г. до н.э.), который отметил, что люнгурион , турмалин , может притягивать опилки или кусочки соломы при нагревании. Свойства турмалина были заново открыты в 1707 году Иоганном Георгом Шмидтом , который отметил, что камень притягивает только горячий пепел, а не холодный. В 1717 году Луи Лемери , как и Шмидт, заметил, что небольшие кусочки непроводящего материала сначала притягиваются к турмалину, но затем отталкиваются им, как только соприкасаются с камнем. В 1747 году Линней впервые связал это явление с электричеством (он назвал турмалин Lapidem Electricum , «электрический камень»), хотя это не было доказано до 1756 года Францем Ульрихом Теодором Эпинусом .

Исследования пироэлектричества стали более сложными в 19 веке. В 1824 году сэр Дэвид Брюстер дал эффекту имя, которое он носит сегодня. И Уильям Томсон в 1878 году, и Вольдемар Фойгт в 1897 году помогли разработать теорию процессов, лежащих в основе пироэлектричества. Пьер Кюри и его брат Жак Кюри изучали пироэлектричество в 1880-х годах, что привело к открытию некоторых механизмов, лежащих в основе пьезоэлектричества.

Кристалл классы

Все кристаллические структуры принадлежат к одному из тридцати двух кристаллических классов в зависимости от количества осей вращения и плоскостей отражения, которыми они обладают, которые оставляют кристаллическую структуру неизменной ( точечные группы ). Из тридцати двух кристаллических классов двадцать один нецентросимметричен (не имеет центра симметрии ). Из этих двадцати одного, двадцать демонстрируют прямое пьезоэлектричество , оставшееся одно относится к кубическому классу 432. Десять из этих двадцати пьезоэлектрических классов являются полярными, то есть они обладают спонтанной поляризацией, имеют диполь в своей элементарной ячейке и проявляют пироэлектричество. Если этот диполь можно перевернуть путем приложения электрического поля, материал называется сегнетоэлектриком . Любой диэлектрический материал развивает диэлектрическую поляризацию (электростатику) при приложении электрического поля, но вещество, которое имеет такое естественное разделение зарядов даже в отсутствие поля, называется полярным материалом. Полярность материала определяется исключительно его кристаллической структурой. Только 10 из 32 точечных групп полярны. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, поэтому десять классов полярных кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами.

Классы пьезоэлектрических кристаллов: 1, 2, м, 222, мм2, 4, -4, 422, 4 мм, -42 м, 3, 32, 3 м, 6, -6, 622, 6 мм, -62 м, 23, -43 м

Пироэлектрический: 1, 2, м, мм2, 3, 3 м, 4, 4 мм, 6, 6 мм

Связанные эффекты

Два эффекта, которые тесно связаны с пироэлектричеством, - это сегнетоэлектричество и пьезоэлектричество . Обычно материалы почти электрически нейтральны на макроскопическом уровне. Однако положительные и отрицательные заряды, из которых состоит материал, не обязательно распределяются симметрично. Если сумма заряда, умноженного на расстояние для всех элементов базовой ячейки, не равна нулю, ячейка будет иметь электрический дипольный момент (векторная величина). Дипольный момент на единицу объема определяется как диэлектрическая поляризация. Если этот дипольный момент изменяется под действием приложенных изменений температуры, приложенного электрического поля или приложенного давления, материал является пироэлектрическим, сегнетоэлектрическим или пьезоэлектрическим соответственно.

Сегнетоэлектрический эффект проявляется в материалах, которые обладают электрической поляризацией в отсутствие приложенного извне электрического поля, так что поляризация может быть обращена, если электрическое поле меняется на противоположное. Поскольку все сегнетоэлектрические материалы обладают спонтанной поляризацией, все сегнетоэлектрические материалы также являются пироэлектрическими (но не все пироэлектрические материалы являются сегнетоэлектрическими).

Пьезоэлектрический эффект проявляется кристаллами (такими как кварц или керамика), для которых электрическое напряжение на материале появляется при приложении давления. Подобно пироэлектрическому эффекту, это явление связано с асимметричной структурой кристаллов, которая позволяет ионам легче перемещаться по одной оси, чем по другим. При приложении давления каждая сторона кристалла принимает противоположный заряд, что приводит к падению напряжения на кристалле.

Пироэлектричество не следует путать с термоэлектричеством : в типичной демонстрации пироэлектричества весь кристалл изменяется от одной температуры к другой, и в результате возникает временное напряжение на кристалле. В типичной демонстрации термоэлектричества одна часть устройства поддерживается при одной температуре, а другая часть - при другой температуре, в результате чего на устройстве остается постоянное напряжение, пока существует разница температур. Оба эффекта преобразуют изменение температуры в электрический потенциал, но пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры во времени в электрический потенциал, а термоэлектрический эффект преобразует изменение температуры в зависимости от положения в электрический потенциал.

Пироэлектрические материалы

Хотя были разработаны искусственные пироэлектрические материалы, эффект был впервые обнаружен в таких минералах, как турмалин . Пироэлектрический эффект присутствует также в костях и сухожилиях .

Самый важный пример - нитрид галлия , полупроводник. Большие электрические поля в этом материале вредны для светоизлучающих диодов (СИД), но полезны для производства силовых транзисторов.

Был достигнут прогресс в создании искусственных пироэлектрических материалов, обычно в виде тонкой пленки, с использованием нитрида галлия ( Ga N ), нитрата цезия ( Cs N O 3 ), поливинилфторидов , производных фенилпиридина и фталоцианина кобальта . Танталат лития ( Li Ta O 3 ) представляет собой кристалл, демонстрирующий как пьезоэлектрические, так и пироэлектрические свойства, который использовался для создания мелкомасштабного ядерного синтеза (« пироэлектрический синтез »). Недавно пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства были обнаружены в легированном оксиде гафния ( Hf O 2 ), который является стандартным материалом при производстве КМОП .

Приложения

Датчики тепла

Очень небольшие изменения температуры могут вызвать пироэлектрический потенциал. Пассивные инфракрасные датчики часто создаются на основе пироэлектрических материалов, поскольку тепла человека или животного на расстоянии нескольких футов достаточно для генерации напряжения.

Выработка энергии

Пироэлектрик можно многократно нагревать и охлаждать (аналогично тепловому двигателю ) для выработки полезной электроэнергии. Одна группа подсчитала, что пироэлектрик в цикле Эрикссона может достигать 50% эффективности Карно , в то время как другое исследование обнаружило материал, который теоретически может достигать 84-92% эффективности Карно (эти значения эффективности относятся к самому пироэлектрику, игнорируя потери от нагрева и охлаждения подложки , другие потери теплопередачи и все другие потери в других частях системы). Возможные преимущества пироэлектрических генераторов для выработки электроэнергии (по сравнению с обычным тепловым двигателем и электрическим генератором ) включают: потенциально более низкие рабочие температуры , менее громоздкое оборудование и меньшее количество движущихся частей. Хотя на такое устройство было подано несколько патентов, похоже, что такие генераторы не приблизились к коммерциализации.

Термоядерная реакция

Основная статья: Пироэлектрический синтез

Пироэлектрические материалы использовались для создания больших электрических полей, необходимых для управления ионами дейтерия в процессе ядерного синтеза . Это известно как пироэлектрический синтез .

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки