Пироэлектричество. Появление и применение. Особенности

Словосочетание «пироэлектричество» исторически образовалось в результате объединения двух корней. А именно – греческого «Pyr», что, по сути, означает «огонь» и известного уже в древние времена слова «электричество». К минералам с пироэлектрическим эффектом относятся кристаллы, способные при нагревании разделять положительные и отрицательные заряды. Они чем-то напоминают пьезоэлектрики, в которых свободные электроны возникают в кристаллах под воздействием механического сжатия.

Такое явление проявляется только у кристаллических веществ, относящихся к большой группе диэлектриков. После исчезновения градиента температуры появившиеся ранее заряды нейтрализуются из-за наличия внутренних утечек в структуре вещества.

Как было открыто пироэлектричество

Piroelektrichestvo 2

Самые ранние упоминания об этом явлении приписывают древнегреческому философу Теофрастусу, жившему в первом веке до нашей эры. Согласно сохранившимся записям при исследовании минералов он заметил, что кристаллы турмалина при разогреве начинают притягивать кусочки пепла и небольшие по размерам соломинки. По истечении нескольких десятков столетий в 1707 году пироэлектричество вновь было обнаружено немецким гравером И. Шмидтом.

По еще одной версии первенство открытия этого эффекта принадлежит известному древнегреческому философу Фалесу Милетскому, который много путешествовал по всему миру и собирал минералы.

При изучении характеристик янтаря он вскоре обнаружил его способность притягивать легкие частички (соломинки и пух, в частности). Изучив это явления, Фалес Милетский смог научно объяснить его, введя понятие «электризация трением». Взаимную связь обнаруженного эффекта со схожими с ним электрическими явлениями в 1757 году установили также ученые Ф. Эпинус и Й. Вильке. Именно они в середине 18 века занялись вопросами поляризации кристаллических материалов, вызванной их взаимным трением.

Примерно через 130 лет немецкий физик А. Кундт продемонстрирует очень интересный и познавательный опыт. При его проведении ученый сначала разогревал кристаллы турмалина, а затем посыпал их порошкообразной смесью из сурика и серы. Крупицы первого из этих веществ заряжались отрицательно, а второго – положительно. В результате желто-красно-оранжевый сурик окрашивал одну сторону кристаллического турмалина, в то время как другая сторона становилась ярко-желтой. После охлаждения минерала появившаяся ранее поляризация кристалла исчезала, что приводило к смене окраски на обратную.

Физические основы явления

Пироэлектричество как физическое явление представляет собой эффект появления электрического поля в кристаллах вследствие воздействия на них градиента температуры. Причиной последнего может стать не только прямой нагрев вещества, но также его облучение сторонними источниками или трение. К группе кристаллов, проявляющих этот эффект, относятся некоторые виды диэлектриков, для которых в свободном виде характерна спонтанная поляризация.

Она незаметна в отсутствие каких-либо сторонних воздействий на минерал, поскольку создаваемое ею поле уравновешивается перемещением свободных зарядов, всегда присутствующих на поверхности многих веществ. При нагревании кристалла величина его поляризации меняется, что и приводит к появлению электрического поля, сохраняющегося до охлаждения объекта.

Изменить природную поляризацию некоторых минералов удается не только за счет градиента температуры. Сделать это можно и путем принудительной механической деформации. Именно поэтому большинство известных пироэлектриков одновременно являются и хорошими пьезоэлектриками. При этом далеко не каждое вещество, обладающее свойствами пьезоэлектрика, может считаться пироэлектриком.

Характеристики минералов и материалов, обладающих пироэлектрическими свойствами

Вещества, в которых проявляется пироэлектричество, имеют четко выраженную кристаллическую структуру с ионными связями и несимметричными ячейками. Это и есть основная причина возможности образования в них зарядов даже при незначительном изменении температуры тела. По этому признаку минералы относятся к структурам с полярными осями симметрии, встречающимся в природе крайне редко.

Piroelektrichestvo 3

Любое принудительное изменение температуры поверхности таких кристаллов приводит к их немедленной спонтанной поляризации. По этой же причине отдельные образцы таких минералов согласно существующей классификации принадлежат к сегнетоэлектрикам.

Пироэлектрическими свойствами обладают и некоторые жидкие кристаллы, а также изделия из керамики и полимеры особой структуры.

К наиболее популярным пироэлектрикам искусственного происхождения принято относить:

Триглицинсульфат.
Некоторые изоморфные соединения.
Поливинилиденфторид – полимер, производимый в виде сверхтонкой пленки.
Группу материалов, относящихся к семейству перовскитов.
Цирконат свинца модифицированный.

Добавим к этому перечню такие производные мягкого металла, как титанат и германат свинца.

Применение пироэлектричества в практических целях

Сегодня пироэлектрики и пироэлектричество востребованы во многих областях человеческой деятельности. Чаще всего они используются в качестве сенсоров различного назначения и входят в состав следующих специальных устройств:

Приемники теплового излучения.
Детекторы того же типа.
Специальные пироэлектрические термометры и т. п.

Во всех таких приборах используется основное физическое свойство пироэлектриков. Под ним понимается их способность к поляризации при наличии градиента температуры, а также электризация под действием внешних радиационных излучений.

Величину получаемого в результате потенциала при желании можно измерить в лабораторных условиях. Для этого собирается несложная электрическая цепь:

Piroelektrichestvo 4

Согласно ей, всю поверхность исследуемого на пироэлектричество образца покрывают проводящими ток электродами, которые тонкими проводниками присоединяются к нагрузочному резистору.

За счет этого под воздействием появившегося потенциала в цепи потекут микроскопические токи, измеряемые чувствительными электронными приборами. Их величина будет зависеть от интенсивности воздействия излучений или разницы (градиента) температур нагрева испытуемой кристаллической структуры.

Приемники излучения, в основу работы которых заложен пироэлектрический эффект, имеют следующие преимущества:

Сравнительно широкий диапазон частот детектируемого сигнала.
Высокие показатели по чувствительности и быстродействию.
Термическая стойкость и долговечность.
Экологическая чистота измерительных процедур.

Особо востребованы такие приемники в исследовательских областях, связанных с измерением излучений в ИК спектре.

Общая задача, решаемая устройствами, в которых пироэлектричество используется как эффект – детектирование непрерывных или дискретных потоков тепловой энергии малой интенсивности. Помимо этого, они применяются для измерения формы и мощности сверхкоротких лазерных сигналов, генерируемых в импульсном виде. Еще одно направление их использования – исследования бесконтактных и контактных способов фиксации температур, производимых с высокой степенью точности (с минимальной погрешностью).

Перспективные направления использования пироэлектриков

Сегодня специалисты в области точного детектирования занимаются поиском путей решения проблемы, связанной со способами прямого преобразования тепловой энергии в пироэлектричество.

Особо перспективны направления исследований, касающиеся получения переменных токов в нагрузочных цепях за счет воздействия на кристаллы прерывистого потока тепловой или лучистой энергии. Отмечается также, что КПД таких устройств недостаточно высок (по этому показателю они существенно уступают давно проверенным способам преобразования). Несмотря на отмеченное отставание, новый способ детектирования энергии пригоден для многих специальных применений, связанных с решением возникших технических проблем.

Особо перспективное направление, где пироэлектричество может принести максимум пользы – визуализация пространственных распределений излучений в системах формирования ИК-изображений. Это свойство широко применяется при разработке и внедрении в производство приборов ночного видения, в частности. Уже сегодня сконструированы и успешно применяются на практике перспективные изделия – видиконы, представляющие собой тепловые телевизионные трубки со встроенной в них пироэлектрической мишенью.

При работе этих устройств изображение исследуемого теплового объекта сначала проецируется на мишень, в результате чего на ней формируется соответствующее распределение свободных зарядов. После этого оно считывается специальным сканирующим электронным пучком. В результате снятия им сигнала появляется электрическое напряжение, которое и управляет яркостью луча, формирующего изображение теплового объекта на экране.

Создаваемые пироэлектрическими кристаллами потенциалы достигают по величине несколько сотен вольт, что позволяет использовать их с целью ускорения полярных частиц материи (ионов). Это явление нередко используется сегодня в экспериментах, связанных с «холодным» синтезом атомных ядер.