Piroelektra – atradimas, fizinis pagrindas ir pritaikymas
Atradimų istorija
Legenda pasakoja, kad pirmuosius įrašus apie piroelektrą padarė senovės graikų filosofas ir botanikas Teofrastas 314 m. prieš Kristų. Remiantis šiais įrašais, Teofrastas kartą pastebėjo, kad mineralinio turmalino kristalai, kaitinami, ima traukti pelenų ir šiaudų gabalėlius. Gerokai vėliau, 1707 m., piroelektros fenomeną iš naujo atrado vokiečių graveris Johanas Schmidtas.
Yra ir kita versija, pagal kurią piroelektros atradimas priskiriamas garsiam senovės graikų filosofui ir keliautojui Taliui iš Mileto, kuris, remiantis šia versija, atradimą padarė VI amžiaus prieš Kristų pradžioje. N. E. Keliaudamas į rytų šalis, Talis užsirašė apie mineralus ir astronomiją.
Tyrinėdamas trinto gintaro gebėjimą pritraukti šiaudelius ir žemyn, jam pavyko moksliškai interpretuoti elektrifikacijos trinties būdu fenomeną. Vėliau Platonas aprašė šią istoriją Timėjo dialoge.Po Platono jau 10 amžiuje persų filosofas Al-Birunis veikale „Mineralogija“ aprašė panašias granato kristalų savybes.
Ryšys tarp kristalų piroelektriškumo ir kitų panašių elektros reiškinių būtų įrodytas ir išplėtotas 1757 m., kai Franzas Epinusas ir Johanas Wilke'as pradėjo tirti tam tikrų medžiagų poliarizaciją, kai jos trinasi viena į kitą.
Po 127 metų vokiečių fizikas Augustas Kundtas parodys ryškų eksperimentą, kurio metu jis pašildys turmalino kristalą ir perpils jį per sietą su raudonojo švino ir sieros miltelių mišiniu. Siera bus įkrauta teigiamai, o raudonasis švinas – neigiamai, todėl raudonai oranžinis raudonas švinas nuspalvins vieną turmalino kristalo pusę, o kitą – ryškiai geltonai pilka spalva. Tada Augustas Kundas atvėsino turmaliną, pasikeitė kristalo „poliškumas“, o spalvos apsikeitė vietomis. Publika nudžiugo.
Reiškinio esmė ta, kad turmalino kristalo temperatūrai pakitus vos 1 laipsniu kristale atsiranda apie 400 voltų elektrinis laukas centimetre. Atkreipkite dėmesį, kad turmalinas, kaip ir visi piroelektriniai gaminiai, yra abu pjezoelektrinis (beje, ne visi pjezoelektrikai yra piroelektriniai).
Fiziniai pagrindai
Fiziškai piroelektros reiškinys apibrėžiamas kaip elektrinio lauko atsiradimas kristaluose dėl jų temperatūros pasikeitimo. Temperatūros pokytį gali sukelti tiesioginis kaitinimas, trintis arba spinduliuotė. Šie kristalai apima dielektrikus, turinčius spontanišką (spontanišką) poliarizaciją, kai nėra išorinio poveikio.
Spontaniška poliarizacija paprastai nepastebima, nes jos sukuriamą elektrinį lauką kompensuoja laisvųjų krūvių elektrinis laukas, kurį kristalą veikia aplinkinis oras ir didžioji kristalo dalis. Pasikeitus kristalo temperatūrai, pasikeičia ir jo spontaniškos poliarizacijos dydis, dėl kurio atsiranda elektrinis laukas, kuris stebimas prieš kompensuojant laisvuosius krūvius.
Piroelektrikų savaiminės poliarizacijos pokyčius gali inicijuoti ne tik jų temperatūros pokytis, bet ir mechaninė deformacija. Štai kodėl visi piroelektrai taip pat yra pjezoelektriniai, bet ne visi pjezoelektrai yra piroelektrai.Spontaninė poliarizacija, tai yra neigiamų ir teigiamų krūvių svorio centrų nesutapimas kristalo viduje, paaiškinama maža natūralia kristalo simetrija.
Piroelektros panaudojimas
Šiandien piroelektrikai naudojami kaip jutikliai įvairiems tikslams, kaip radiacijos imtuvų ir detektorių, termometrų ir kt. Visi šie prietaisai išnaudoja pagrindinę piroelektrikos savybę – bet kokia spinduliuotė, veikianti pavyzdį, sukelia mėginio temperatūros pokyčius ir atitinkamai jo poliarizaciją. Jeigu tokiu atveju bandinio paviršius padengtas laidiais elektrodais ir šie elektrodai laidais sujungti su matavimo grandine, tai per šią grandinę tekės elektros srovė.
Ir jei piroelektrinio keitiklio įėjime teka bet kokia spinduliuotė, sukelianti piroelektrinio temperatūros svyravimus (periodiškumas gaunamas, pavyzdžiui, dirbtinai moduliuojant spinduliuotės intensyvumą), tai elektros srovė yra gautas išėjime, kuris taip pat keičiasi tam tikru dažniu .
Piroelektrinių spinduliuotės detektorių privalumai: be galo platus aptiktos spinduliuotės dažnių diapazonas, didelis jautrumas, didelis greitis, terminis stabilumas. Piroelektrinių imtuvų naudojimas infraraudonųjų spindulių srityje yra ypač perspektyvus.
Jie iš tikrųjų išsprendžia mažos galios šiluminės energijos srautų aptikimo, trumpų lazerio impulsų galios ir formos matavimo bei labai jautraus bekontakčio ir kontaktinės temperatūros matavimo (mikrolaipsnio tikslumu) problemą.
Šiandien rimtai diskutuojama apie galimybę panaudoti piroelektriką tiesioginiam šiluminės energijos pavertimui elektros energija: kintamasis spinduliavimo energijos srautas sukuria kintamąją srovę piroelektrinio elemento išorinėje grandinėje. Ir nors tokio įrenginio efektyvumas yra mažesnis nei esamų energijos konvertavimo būdų, vis dėlto kai kurioms specialioms reikmėms šis konversijos būdas yra gana priimtinas.
Ypač daug žada jau panaudota piroelektrinio efekto panaudojimo galimybė vizualizuoti spinduliuotės erdvinį pasiskirstymą infraraudonųjų spindulių vaizdavimo sistemose (naktinis matymas ir kt.). Sukūrė piroelektrinius vidikonus – šilumą perduodančius televizoriaus kineskopus su piroelektriniu taikiniu.
Šilto objekto vaizdas projektuojamas ant taikinio, pastatant ant jo atitinkamą krūvio reljefą, kurį nuskaito skenuojantis elektronų pluoštas. Elektronų pluošto srovės sukuriama elektros įtampa kontroliuoja pluošto, kuris ekrane piešia objekto vaizdą, ryškumą.