Содержание
Пиро (от греческого PYR , огонь и электричество ) является свойством некоторых кристаллов , которые , естественно , электрически поляризованы и в результате содержат большие электрические поля. Пироэлектричества могут быть описаны как способность определенных материалов , чтобы генерировать временное напряжение при нагревании или охлаждении. Изменение температуры изменяет положения атомов слегка внутри кристаллической структуры , например , что поляризация материальных изменений. Это изменение поляризации приводит к возникновению напряжения на кристалле. Если температура остается постоянной на его новое значение, пироэлектрический напряжение постепенно исчезает из — за тока утечки (утечка может произойти из — за электронов , движущихся через кристалл, ионов , движущихся в воздухе, или ток утечки через вольтметр присоединенной через кристалл).
содержание
объяснение
Пироэлектричества можно представить в виде одной стороны треугольника, где каждый угол представляет собой энергетические состояния в кристалле: кинетические , электрические и тепловые энергии. Грань между электрическими и тепловыми углами представляет собой пироэлектрический эффект и не производит кинетической энергии . Грань между кинетическими и электрическими углами представляет собой пьезоэлектрический эффект и не производит тепла .
Пирозаряд в минералах развивается на противоположных сторонах асимметричных кристаллов. Направление , в котором распространение заряда , как правило, как правило , постоянное в течение пироэлектрического материала, но, в некоторых материалах, это направление может быть изменено с помощью соседнего электрического поля. Эти материалы , как говорят, обладают сегнетоэлектричество . Все известные пироэлектрические материалы также пьезоэлектрические с исключениями из нитрида бора алюминия (BAlN) и нитрид бора галлия (BGAN) в некоторых композициях, эти два свойства тесно связаны между собой . Тем не менее, обратите внимание , что некоторые пьезоэлектрические материалы имеют кристаллическую симметрию , которая не позволяет пироэлектричества.
Пироэлектрические материалы в основном твердые и кристаллы, однако, мягкое пироэлектричество может быть достигнуты с помощью электретов.
Пироэлектричества измеряется как изменение чистой поляризации (а) вектор, пропорциональный изменению температуры. Общая пирокоэффициент измеренная при постоянном напряжении является суммой пироэлектрических коэффициентов при постоянном напряжении (первичный эффекта пироэлектрического) и пьезоэлектрический вкладе от теплового расширения (вторичный пироэлектрический эффект). При нормальных обстоятельствах, даже полярные материалы не отображают чистый дипольный момент. Как следствие, не существует ни одного электрических дипольных эквивалентов стержневых магнитов, поскольку внутренний дипольный момент нейтрализуют «свободным» электрический заряд, который накапливается на поверхностях внутренней проводимости или из окружающей атмосферы. Полярные кристаллы обнаруживают только свою природу, когда возмущенные каким-то образом, что на мгновение нарушает баланс с компенсирующей поверхностным зарядом.
Спонтанная поляризация зависит от температуры, так что хорошее возмущение зонд является изменением температуры, которая вызывает поток заряда к и от поверхности. Это пироэлектрический эффект. Все полярные кристаллы пироэлектрический, так что 10 полярных классов кристалла иногда называют пироэлектрических классов. Пироэлектрические материалы могут быть использованы в качестве инфракрасных и миллиметровых длин волн детекторов излучения.
Электретное это электрический эквивалент постоянного магнита.
Математическое описание
Пирокоэффициент может быть описан как изменение спонтанной поляризации вектора с температурой:
п я знак равно ∂ п S , я ∂ T < Displaystyle р- <я>= < гидроразрыва < парциальное Р- > < парциальное Т>>>
где р я (Cm -2 К -1 ) представляет собой вектор для пирокоэффициента.
история
Первая ссылка на пироэлектрический эффект обнаружен в трудах по Теофраста (ок. 314 г. до н.э.), который отметил , что lyngourion , турмалина , может привлечь опилки или биты из соломы при нагревании. Свойства турмалина были вновь открыты в 1707 г. Иоганн Георг Шмидт , который отметил , что камень привлекает только горячий пепел, а не холодные. В 1717 году Луис Лемери заметил, как и был Шмидт, что мелкие клочки непроводящего материала были впервые привлечены к турмалину, но потом отталкиваются от него , когда они связались с камнем. В 1747 году Линней первым связывал явление к электричеству (он называется турмалин Lapidem Electricum , «электрический камень»), хотя это не было доказано до 1756 Эпинус .
Исследования пироэлектричества стали более изощренными в 19 веке. В 1824 году сэр Дэвид Брюстер дал Эффект название она имеет сегодня. И Уильям Томсон в 1878 году и Вольдемар Фойгт в 1897 году помог разработать теорию процессов за пиро. Пьер Кюри и его брат Жак Кюри , изучали пироэлектричество в 1880 — х годах, что привели к их открытию некоторых механизмов за пьезоэлектричеством.
кристаллические классы
Все кристаллические структуры принадлежат к одному из тридцати двух кристаллических классов , основанных на количестве осей вращения и плоскостей отражения они обладают , что оставить без изменений кристаллической структуры ( точечных групп ). Из тридцати двух кристаллических классов, двадцать один не являются центросимметрично (не имеющим центром симметрии ). Из них двадцать один, двадцать проявляет прямое пьезоэлектричество , оставшийся один является кубическим классом 432. Десять из этих двадцати пьезоэлектрических классов полярны, то есть, они обладают спонтанной поляризацией, имеющим диполь в своей элементарной ячейке, и экспозиционную пиро. Если этот дипольный может быть отменено путем применения электрического поля, материал называется сегнетоэлектрика . Любой диэлектрический материал развивает диэлектрическую поляризацию (электростатики) при приложении электрического поля, но вещество , которое имеет такое естественное разделение зарядов , даже в отсутствие поля называется полярным материалом. Независимо от того или нет материал полярная определяется исключительно его кристаллической структуры. Только 10 из 32 точечные группы являются полярными. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, так что десять полярными классы кристалла иногда называют пироэлектрические классами.
Пьезоэлектрические кристаллических классов: 1, 2, м, 222, мм2, 4, -4, 422, 4 мм, -42m, 3, 32, 3 м, 6, -6, 622, 6 мм, -62m, 23, -43m
Пироэлектрический: 1, 2, м, мм2, 3, 3 м, 4, 4 мм, 6, 6 мм
Сопутствующие эффекты
Два эффекта , которые тесно связаны с пиро является сегнетоэлектричеством и пьезоэлектричество . Обычно материалы почти электрически нейтрален на макроскопическом уровне. Тем не менее, положительные и отрицательные заряды , которые составляют материал не обязательно распределены симметричным образом. Если сумма времени зарядки расстояния для всех элементов основной ячейки не равно нулю клетка будет иметь электрический дипольный момент (векторная величина). Дипольный момент на единицу объема определяются как диэлектрическая поляризация. Если этот дипольный момент изменяется с эффектом применяемых изменений температуры, приложенной электрическое поле, или приложенное давление, материал пироэлектрическими, сегнетоэлектрик или пьезоэлектрическим, соответственно.
Сегнетоэлектрический эффект проявляются с помощью материалов, которые обладают электрической поляризацией в отсутствии приложенного извне электрического поля таким образом, что поляризация может быть отменена, если электрическое поле восстанавливается. Поскольку все сегнетоэлектрические материалы обладают спонтанной поляризацией, все сегнетоэлектрические материалы также пироэлектрическими (но не все пироэлектрические материалы являются сегнетоэлектриком).
Пьезоэлектрический эффект проявляется с помощью кристаллов (например, кварца или керамики), для которого появляется электрическое напряжение материала при приложении давления. Подобно пироэлектрический эффект, явление связанно с асимметричной структурой кристаллов, что позволяет ионам двигаться более легко вдоль одной оси, чем другие. В приложении давления, каждая сторона кристалла берет на себя противоположным зарядом, что приводит к падению напряжения на кристалле.
Пироэлектричества не следует путать с термоэлектричеством : В типичной демонстрации пироэлектричества, весь кристалл изменяются от одной температуры к другой, и в результате это временное напряжение на кристалл. В типичной демонстрации термоэлектричества, одна часть устройства выдерживают при одной температуре , а другая часть при различной температуре, и результатом является постоянное напряжение на устройстве до тех пор , пока существует разность температур. Оба эффекта преобразование изменения температуры в электрический потенциал, но пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры по времени в электрический потенциал, в то время как термоэлектрический эффект преобразует изменение температуры с положением в электрический потенциал.
Пироэлектрические материалы
Хотя искусственные пиро материалы были разработаны, эффект был впервые обнаружен в минералах , таких как турмалин . Пироэлектрический эффект также присутствует в кости и сухожилия .
Наиболее важным примером является нитридом галлия , полупроводник. Большие электрические поля в данном материале , являются вредными в светодиодах (LED), но полезно для производства силовых транзисторов.
Был достигнут прогресс в создании искусственных пироэлектрических материалов, как правило , в виде тонкой пленки, с использованием нитрида галлия ( Ga N ), нитрат цезия ( Cs N O 3 ), поливиниловые фториды , производные фенилпиридина и кобальта фталоцианина . Литий танталат ( Li Та O 3 ) представляет собой кристалл , имеющий как пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства, которые были использованы для создания мелкомасштабных ядерного синтеза ( « пироэлектрического слияния »).
Приложения
датчики тепла
Очень небольшие изменения температуры могут привести к пироэлектрическому потенциалу. Пассивные инфракрасные датчики часто предназначены вокруг пироэлектрических материалов, так как теплота человека или животного от нескольких футов достаточно , чтобы генерировать напряжение.
Выработка энергии
Пироэлектрический может быть повторно нагревают и охлаждают (аналогично с тепловым двигателем ) для генерации полезной электрической мощности. Одна группа подсчитали , что пироэлектрический в Ericsson цикла может достигать 50% от эффективности Карно , в то время как другое исследование показало , что материал может, теоретически, достигать 84-92% эффективности Карно (эти значения эффективности являются для самого пиро, не обращая внимания потери от нагрева и охлаждения подложки , другие потери теплопередачи, а также все другие потери в другом месте в системе). Возможные преимущества пироэлектрических генераторов для выработки электроэнергии (по сравнению с обычным двигателем тепла плюс электрический генератор ) включают в себя: потенциально более низкие рабочие температуры , менее громоздкое оборудование, а также меньшее количество подвижных частей. Хотя несколько патентов были поданы для такого устройства, такие генераторы , кажется , не быть где — нибудь близко к коммерциализации.
Термоядерная реакция
Пироэлектрические материалы были использованы для создания больших электрических полей , необходимых , чтобы направить дейтерий ионов в термоядерном процессе. Это известно как пироэлектрическое слияние .
Турмалин, минерал с кристаллами ромбоэдрической системы, довольно распространенный в Европе, стал известен лишь с 1717 г. благодаря химику Луи Лемери (1677-1743), который описал его как особенный камень, привозимый с Цейлона, обладающий способностью притягивать легкие частицы и потому названный Линнеем в 1747 г. «электрическим камнем» (lapis electricus). Никто не занимался им до 1756 г., пока он не попал в руки Эпинуса, окрестившего его «турмалином» и начавшего исследовать его особые свойства. Целый ряд опытов, проведенных с исключительным умением, сразу убедил Эпинуса в том, что странная способность турмалина связана с электричеством, но совершенно отличается от общеизвестного явления электризации трением. Турмалин электризовался при нагреве, причем один конец его заряжался положительно, а другой — отрицательно.
Публикация Эпинуса вызвала жаркую полемику, в которой приняли участие, в частности, Бенджамин Уилсон (1708?-1788), Мушенбрек, Вильке, оспаривавшие результаты экспериментов Эпинуса главным образом потому, что им не удалось их повторить с той точностью, с которой ставил свои опыты сам Эпинус (подобные опыты и сейчас требуют тщательной постановки, если только не прибегать к электроскопическому порошку). Конец этой полемике положил Джон Кантон (1718-1772), который в прекрасном докладе, зачитанном Королевскому обществу в 1759 г., не только подтвердил результаты Эпинуса, но, кроме того, установил, что электризация получается и при охлаждении. В следующем, 1760 г. Кантон обнаружил, что свойством турмалина обладает также бразильский топаз, а Уилсон нашел его затем и у других драгоценных камней. В 1762 г. Кантон показал, кроме того, что возникающие при нагревании турмалина заряды равны по величине и противоположны по знаку. К этому выводу он пришел, погрузив образец турмалина в металлический сосуд с кипящей водой, соединенный с электрометром; электрометр не обнаружил никакого заряда. Заметим, что электрометр Кантона, введенный им в употребление с 1753 г. и бывший в течение многих лет одним из необходимейших приборов, представлял собой модификацию первого электроскопа с пробковыми шариками, описанного тем неизвестным автором, который в 1746 г. опубликовал первую работу по «медицинскому электричеству». Электроскоп Кантона состоял из двух почти соприкасающихся пробковых шариков, подвешенных в небольшой коробочке на двух льняных нитях.
Возвращаясь к свойствам турмалина, укажем, что минералог Рене Аюи (1743-1822) в своем учебнике по физике 1802 г. и в последующих изданиях вплоть до 1821 г. привел в порядок данные об этом явлении и представил их, по сути дела, в том же виде, в каком они известны сейчас, если не считать теоретических вопросов, отнюдь не решенных и в наше время. Кроме того, Аюи сделал важное открытие, что пироэлектрические кристаллы могут электризоваться не только при нагреве, но и под действием давления, и опираясь на это явление, позднее получившее название пьезоэлектричества, создал чувствительный электроскоп. Пьезоэлектричество исследовалось в течение всего XIX века и имеет сейчас многочисленные технические применения.
Пироэлектричество — явление возникновения электрического поля в кристаллах при изменении их температуры, например: при нагревании, трении, облучении или даже примитивном натирании.
Содержание
Пироэлектрики [ править | править код ]
Явление [ править | править код ]
Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация незаметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность пироэлектрика из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами.
Исторический очерк [ править | править код ]
По одной из легенд, первое упоминание о пироэлектрическом эффекте содержится в записках Теофраста, [ источник не указан 2019 дней ] датированных 314 г. до н.э., который заметил, что нагретые кристаллы турмалина притягивают к себе соломинки и частички пепла. Пироэлектрические свойства турмалина были открыты вновь в 1707 году Иоганном Георгом Шмидтом.
Согласно другой версии, пироэлектрический эффект ещё в начале VI века до н.э. открыл древнегреческий философ Фалес Милетский. Он много путешествовал по странам Востока, внимательно собирал и записывал наблюдения в области минералогии и астрономии. Считается, что именно он впервые в научном аспекте истолковал способность янтаря притягивать птичий пух или соломинки после натирания (эффект электризации трением). Достоверный рассказ об этом физическом явлении впервые документирован в основополагающем диалоге «Тимей» другого древнегреческого философа — Платона. [1] :194-195 Позднее о подобных свойствах кристаллов граната написал Аль-Бируни в своём фундаментальном труде «Минералогия», и даже привёл строки из любовного стихотворения, посвящённого пироэлектрическому эффекту:
Молю: взгляни! Других не надобно наград.
Ресницы так притягивают сердце,
Как не влечёт к себе соломинку гранат.
Связь явления пироэлектричества с другими электрическими явлениями в кристаллах была доказана и дополнительно развита Францем Эпинусом и Йоханом Вильке в 1757 году. Повторно исследовав образцы драгоценного турмалина, они подробно описали пироэлектрический эффект, впервые объяснив возникающее явление поляризации. Спустя 127 лет — научное сообщество было удивлено необычайно наглядным и эффектным опытом немецкого учёного Августа Кундта, развившего исследования предшественников. Разогрев кристалл турмалина, он опылил его смесью двух мелкодисперсных порошков: серы и сурика, предварительно пропустив их через шёлковое сито. В процессе просеивания (трения) о шёлк ярко-жёлтые частицы серы заряжались отрицательно, а красно-оранжевые частицы сурика, напротив, положительно. В результате этой несложной демонстрации всем присутствующим стало видно, что один конец турмалина окрасился в жёлтый цвет, а другой стал — красным. Затем Август Кундт добил своих учёных зрителей тем, что при охлаждении кристалла турмалина полюса поменялись, и соответственно, в строго обратном порядке поменялись и цвета́. [1] :195
При изменении температуры на один кельвин в кристаллах самоцветного турмалина возникает электрическое поле напряжённостью
400 Вольт на сантиметр. Как и все пироэлектрики, турмалин является также и пьезоэлектриком. Правда, это правило не имеет обратной силы. Далеко не все пьезоэлектрики имеют пироэлектрические свойства. [1] :195
Физические свойства [ править | править код ]
Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при механической деформации. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Существование спонтанной поляризации, другими словами несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов.
