Piroelectricitat: descobriment, bases físiques i aplicacions
Història dels descobriments
La llegenda diu que els primers registres de piroelectricitat van ser fets pel filòsof i botànic grec antic Teofrasto l'any 314 aC. Segons aquests registres, Teofrasto es va adonar una vegada que els cristalls de turmalina mineral, quan s'escalfaven, començaven a atreure trossos de cendra i palla. Molt més tard, el 1707, el fenomen de la piroelectricitat va ser redescobert pel gravador alemany Johann Schmidt.
Hi ha una altra versió, segons la qual el descobriment de la piroelectricitat s'atribueix al famós filòsof i viatger grec antic Tales de Milet, que, segons aquesta versió, va fer el descobriment a principis del segle VI aC. N. E. Viatjant als països de l'est, Thales va prendre notes sobre minerals i astronomia.
Investigant la capacitat de l'ambre fregat per atraure palletes i cap avall, va poder interpretar científicament el fenomen de l'electrificació per fricció. Més tard, Plató descriuria aquesta història al diàleg Timeu.Després de Plató, ja al segle X, el filòsof persa Al-Biruni a la seva obra "Mineralogia" va descriure propietats similars dels cristalls de granat.
La connexió entre la piroelectricitat dels cristalls i altres fenòmens elèctrics similars es va demostrar i desenvolupar el 1757, quan Franz Epinus i Johann Wilke van començar a estudiar la polarització de certs materials quan es fregaven entre ells.
Després de 127 anys, el físic alemany August Kundt mostrarà un vívid experiment en què escalfarà un cristall de turmalina i l'abocarà per un sedàs amb una barreja de plom vermell i pols de sofre. El sofre estarà carregat positivament i el plom vermell carregat negativament, donant com a resultat que el plom vermell-taronja tindria un costat del cristall de turmalina i l'altre costat cobert d'un groc-gris brillant. Aleshores August Kund va refredar la turmalina, la "polaritat" del cristall va canviar i els colors van canviar de lloc. El públic estava encantat.
L'essència del fenomen és que quan la temperatura del cristall de turmalina canvia només 1 grau, apareix un camp elèctric d'uns 400 volts per centímetre al cristall. Tingueu en compte que la turmalina, com tots els piroelèctrics, són les dues coses piezoelèctric (per cert, no tots els piezoelèctrics són piroelèctrics).
Fonaments físics
Físicament, el fenomen de la piroelectricitat es defineix com l'aparició d'un camp elèctric en els cristalls a causa d'un canvi en la seva temperatura. El canvi de temperatura pot ser causat per escalfament directe, fricció o radiació. Aquests cristalls inclouen dielèctrics amb polarització espontània (espontània) en absència d'influències externes.
La polarització espontània normalment no es nota perquè el camp elèctric que crea es compensa amb el camp elèctric de càrregues lliures que s'apliquen al cristall per l'aire circumdant i per la major part del cristall. Quan la temperatura del cristall canvia, també canvia la magnitud de la seva polarització espontània, fet que provoca l'aparició d'un camp elèctric, que s'observa abans que es produeixi la compensació amb càrregues lliures.
Un canvi en la polarització espontània dels piroelèctrics es pot iniciar no només per un canvi en la seva temperatura, sinó també per deformació mecànica. És per això que tots els piroelèctrics també són piezoelèctrics, però no tots els piezoelèctrics són piroelèctrics La polarització espontània, és a dir, el desajust dels centres de gravetat de les càrregues negatives i positives a l'interior del cristall, s'explica per la baixa simetria natural del cristall.
Aplicacions de la piroelectricitat
Avui en dia, els piroelèctrics s'utilitzen com a dispositius de detecció per a diversos propòsits, com a part de receptors i detectors de radiació, termòmetres, etc. Tots aquests dispositius exploten una propietat clau dels piroelèctrics: qualsevol tipus de radiació que actuï sobre la mostra provoca un canvi en la temperatura de la mostra i un canvi corresponent en la seva polarització. Si en aquest cas la superfície de la mostra està coberta amb elèctrodes conductors i aquests elèctrodes estan connectats per cables al circuit de mesura, aleshores un corrent elèctric circularà per aquest circuit.
I si hi ha un flux de qualsevol tipus de radiació a l'entrada d'un convertidor piroelèctric, que provoca fluctuacions en la temperatura del piroelèctric (la periodicitat s'obté, per exemple, mitjançant la modulació artificial de la intensitat de la radiació), llavors un corrent elèctric és obtingut a la sortida, que també canvia amb una determinada freqüència.
Els avantatges dels detectors de radiació piroelèctrica inclouen: una gamma infinitament ampli de freqüències de radiació detectada, alta sensibilitat, alta velocitat, estabilitat tèrmica. L'ús de receptors piroelèctrics a la regió infraroja és especialment prometedor.
De fet, resolen el problema de detectar fluxos d'energia tèrmica de baixa potència, mesurar la potència i la forma dels polsos làser curts i la mesura de temperatura de contacte i sense contacte altament sensible (amb una precisió de micrograus).
Avui dia, es discuteix seriosament la possibilitat d'utilitzar piroelèctrics per convertir directament l'energia tèrmica en energia elèctrica: un flux altern d'energia radiant genera un corrent altern al circuit extern d'un element piroelèctric. I encara que l'eficiència d'aquest dispositiu és inferior als mètodes de conversió d'energia existents, encara per a algunes aplicacions especials aquest mètode de conversió és força acceptable.
La possibilitat ja utilitzada d'utilitzar l'efecte piroelèctric per visualitzar la distribució espacial de la radiació en sistemes d'imatge infraroja (visió nocturna, etc.) és especialment prometedora. Va crear vidicons piroelèctrics: tubs de televisió que transmeten calor amb un objectiu piroelèctric.
La imatge d'un objecte càlid es projecta sobre un objectiu, construint-hi el relleu corresponent de la càrrega, que es llegeix per un feix d'electrons d'escaneig. El voltatge elèctric creat pel corrent del feix d'electrons controla la brillantor del feix que pinta la imatge de l'objecte a la pantalla.