Piroelektromosság – felfedezés, fizikai alapok és alkalmazások
A felfedezések története
A legenda szerint az első feljegyzéseket a piroelektromosságról az ókori görög filozófus és botanikus, Theophrastus tette ie 314-ben. E feljegyzések szerint Theophrasztosz egyszer észrevette, hogy a turmalin ásványi kristályai hevítéskor magukhoz vonzzák a hamu- és szalmadarabokat. Jóval később, 1707-ben a piroelektromosság jelenségét Johann Schmidt német metsző fedezte fel újra.
Van egy másik változat is, amely szerint a piroelektromosság felfedezését a híres ókori görög filozófusnak és milétoszi Thalésznek tulajdonítják, aki e változat szerint a Kr. e. 6. század elején tette a felfedezést. N. E. Keleti országokba utazva Thalész feljegyzéseket készített az ásványokról és a csillagászatról.
A dörzsölt borostyán szalmát és lefelé vonzását vizsgálva tudományosan tudta értelmezni a súrlódás általi villamosítás jelenségét. Platón később leírja ezt a történetet a Tímea-dialógusban.Platón után, már a 10. században, Al-Biruni perzsa filozófus "Ásványtan" című munkájában leírta a gránátkristályok hasonló tulajdonságait.
A kristályok piroelektromossága és más hasonló elektromos jelenségek közötti kapcsolat 1757-ben bizonyított és kifejlődött, amikor Franz Epinus és Johann Wilke egyes anyagok egymáshoz súrlódó polarizációját kezdte tanulmányozni.
127 év után August Kundt német fizikus egy élénk kísérletet mutat be, amelyben felmelegít egy turmalin kristályt, és szitán önti át vörös ólom és kénpor keverékével. A kén pozitív töltésű, a vörös ólom pedig negatív töltésű lesz, ami azt eredményezi, hogy a vörös-narancssárga vörös ólom a turmalin kristály egyik oldalát, a másik oldalát pedig élénk sárgás-szürkére borítja. August Kund ezután lehűtötte a turmalint, megváltozott a kristály "polaritása" és helyet cseréltek a színek. A közönség el volt ragadtatva.
A jelenség lényege, hogy amikor a turmalinkristály hőmérséklete mindössze 1 fokkal változik, akkor a kristályban körülbelül 400 voltos, centiméterenkénti elektromos tér jelenik meg. Vegye figyelembe, hogy a turmalin, mint minden piroelektromos anyag, mindkettő piezoelektromos (egyébként nem minden piezoelektromos piroelektromos).
Fizikai alapok
Fizikailag a piroelektromosság jelenségét úgy definiáljuk, mint egy elektromos mező megjelenését a kristályokban a hőmérsékletük változása miatt. A hőmérséklet változást közvetlen melegítés, súrlódás vagy sugárzás okozhatja. Ezek a kristályok közé tartoznak a külső hatások hiányában spontán (spontán) polarizációval rendelkező dielektrikumok.
A spontán polarizációt általában nem veszik észre, mert az általa létrehozott elektromos teret ellensúlyozza a szabad töltések elektromos mezeje, amelyet a környező levegő és a kristály nagy része a kristályra juttat. Amikor a kristály hőmérséklete megváltozik, spontán polarizációjának nagysága is megváltozik, ami elektromos mező megjelenéséhez vezet, amelyet a szabad töltésekkel történő kompenzáció előtt figyelnek meg.
A piroelektromos anyagok spontán polarizációjának változását nemcsak hőmérsékletük változása, hanem mechanikai deformáció is elindíthatja. Éppen ezért minden piroelektromos egyben piezoelektromos is, de nem minden piezoelektromos.A spontán polarizációt, vagyis a kristályon belüli negatív és pozitív töltések súlypontjainak eltérését a kristály alacsony természetes szimmetriája magyarázza.
A piroelektromosság alkalmazásai
Napjainkban a piroelektromos eszközöket érzékelő eszközökként használják különféle célokra, sugárvevők és érzékelők, hőmérők stb. részeként. Mindezek az eszközök kihasználják a piroelektrikumok egyik kulcsfontosságú tulajdonságát – a mintára ható bármilyen típusú sugárzás megváltoztatja a minta hőmérsékletét és ennek megfelelő változást a polarizációjában. Ha ebben az esetben a minta felületét vezető elektródák borítják, és ezeket az elektródákat vezetékekkel csatlakoztatják a mérőkörhöz, akkor ezen az áramkörön elektromos áram fog átfolyni.
És ha a piroelektromos átalakító bemenetén bármilyen sugárzás áramlik, ami ingadozást okoz a piroelektromos hőmérsékletében (a periodicitást például a sugárzás intenzitásának mesterséges modulálásával lehet elérni), akkor elektromos áram a kimeneten kapott, amely szintén egy bizonyos frekvenciával változik .
A piroelektromos sugárzásérzékelők előnyei a következők: az észlelt sugárzás végtelen széles frekvenciájú tartománya, nagy érzékenység, nagy sebesség, hőstabilitás. A piroelektromos vevőkészülékek infravörös tartományban való alkalmazása különösen ígéretes.
Valójában megoldják a kis teljesítményű hőenergia áramlások detektálását, a rövid lézerimpulzusok teljesítményének és alakjának mérését, valamint a nagy érzékenységű érintésmentes és érintkezési hőmérsékletmérés (mikrofokos pontossággal) problémáját.
Napjainkban komolyan vitatják a piroelektromos eszközök felhasználásának lehetőségét a hőenergia közvetlen elektromos energiává alakítására: a sugárzó energia váltakozó áramlása váltakozó áramot hoz létre a piroelektromos elem külső áramkörében. És bár egy ilyen eszköz hatékonysága alacsonyabb, mint a meglévő energiaátalakítási módszerek, néhány speciális alkalmazás számára ez az átalakítási módszer meglehetősen elfogadható.
Különösen ígéretes az a már használt lehetőség, hogy a piroelektromos effektust infravörös képalkotó rendszerekben (éjszakai látás, stb.) a sugárzás térbeli eloszlásának megjelenítésére használják. Piroelektromos vidikonokat készítettek - hőáteresztő televíziócsöveket piroelektromos célponttal.
A meleg tárgy képét egy céltárgyra vetítik, ráépítve a töltés megfelelő domborzatát, amelyet pásztázó elektronsugár olvas le. Az elektronnyaláb árama által létrehozott elektromos feszültség szabályozza annak a sugárnak a fényességét, amely a tárgy képét a képernyőn festi.