stringtranslate.com

Пироэлектричество

Внутреннее устройство пироэлектрического датчика

Пироэлектричество (от греческого: пир (πυρ), «огонь» и электричество ) — это свойство некоторых кристаллов, которые по своей природе электрически поляризованы и в результате содержат большие электрические поля. [1] Пироэлектричество можно описать как способность некоторых материалов генерировать временное напряжение при их нагревании или охлаждении. [2] [3] Изменение температуры слегка изменяет положение атомов внутри кристаллической структуры , так что поляризация материала меняется. Это изменение поляризации приводит к появлению напряжения на кристалле. Если температура остается постоянной на своем новом значении, пироэлектрическое напряжение постепенно исчезает из-за тока утечки . Утечка может быть вызвана движением электронов через кристалл, движением ионов по воздуху или утечкой тока через вольтметр, прикрепленный к кристаллу. [3] [4]

Объяснение

Пироэлектрический заряд в минералах развивается на противоположных гранях асимметричных кристаллов. Направление распространения заряда обычно постоянно во всем пироэлектрическом материале, но в некоторых материалах это направление может быть изменено близлежащим электрическим полем. Говорят, что эти материалы обладают сегнетоэлектричеством .

Все известные пироэлектрики также являются пьезоэлектриками . Несмотря на то, что новые материалы, такие как нитрид бора-алюминия (BAlN) и нитрид бор-галлия (BGaN), являются пироэлектрическими, они имеют нулевой пьезоэлектрический отклик на деформацию вдоль оси c при определенных составах, причем эти два свойства тесно связаны. Однако обратите внимание, что некоторые пьезоэлектрические материалы имеют кристаллическую симметрию, не допускающую пироэлектричества.

Пироэлектрические материалы в основном твердые и кристаллические; однако мягкого пироэлектричества можно добиться с помощью электретов . [6]

Пироэлектричество измеряется как изменение чистой поляризации (вектора), пропорциональное изменению температуры. Общий пироэлектрический коэффициент, измеренный при постоянном напряжении, представляет собой сумму пироэлектрических коэффициентов при постоянной деформации (первичный пироэлектрический эффект) и пьезоэлектрического вклада от теплового расширения (вторичный пироэлектрический эффект). В нормальных условиях даже полярные материалы не обладают чистым дипольным моментом . Как следствие, не существует электрических дипольных эквивалентов стержневых магнитов, поскольку собственный дипольный момент нейтрализуется «свободным» электрическим зарядом, который накапливается на поверхности за счет внутренней проводимости или из окружающей атмосферы. Полярные кристаллы раскрывают свою природу только тогда, когда их возмущают каким-либо образом, который на мгновение нарушает баланс с компенсирующим поверхностным зарядом.

Спонтанная поляризация зависит от температуры, поэтому хорошим датчиком возмущения является изменение температуры, которое вызывает поток заряда к поверхностям и от них. Это пироэлектрический эффект. Все полярные кристаллы пироэлектрики, поэтому 10 классов полярных кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами. Пироэлектрические материалы могут использоваться в качестве детекторов инфракрасного и миллиметрового излучения.

Электрет — электрический эквивалент постоянного магнита .

Математическое описание

Пироэлектрический коэффициент можно описать как изменение вектора спонтанной поляризации с температурой: [7]

p i−2−1

История

Первое упоминание о пироэлектрическом эффекте было сделано в 1707 году Иоганном Георгом Шмидтом, который отметил, что «[горячий] турмалин может притягивать пепел от теплых или горящих углей, как магнит утюг, но также и отталкивать его снова [после контакт]". [8] В 1717 году Луи Лемери , как и Шмидт, заметил, что небольшие кусочки непроводящего материала сначала притягиваются к турмалину, но затем отталкиваются им, как только они контактируют с камнем. [9] В 1747 году Линней впервые связал это явление с электричеством (он назвал турмалин Lapidem Electricum , «электрический камень»), [10] хотя это не было доказано до 1756 года Францем Ульрихом Теодором Эпином . [11]

Исследования пироэлектричества стали более сложными в 19 веке. В 1824 году сэр Дэвид Брюстер дал этому эффекту название, которое он имеет сегодня. [12] И Уильям Томсон в 1878 году [13] , и Вольдемар Фойгт в 1897 году [14] помогли разработать теорию процессов, лежащих в основе пироэлектричества. Пьер Кюри и его брат Жак Кюри изучали пироэлектричество в 1880-х годах, что привело к открытию некоторых механизмов, лежащих в основе пьезоэлектричества. [15]

Теофрасту (ок. 314 г. до н. э.) ошибочно приписывается первое упоминание о пироэлектричестве. Заблуждение возникло вскоре после открытия пироэлектрических свойств турмалина , что заставило минералогов того времени ассоциировать с ним легендарный камень Лингуриум . [16] Лингурий описан в работе Теофраста как аналог янтаря , без указания каких-либо пироэлектрических свойств. [17]

Классы кристаллов

Все кристаллические структуры принадлежат к одному из тридцати двух кристаллических классов в зависимости от количества имеющихся у них осей вращения и плоскостей отражения , которые оставляют кристаллическую структуру неизменной ( точечные группы ). Из тридцати двух классов кристаллов двадцать один нецентросимметричен ( не имеет центра симметрии ). Из этих двадцати одного двадцать обладают прямым пьезоэлектричеством , а оставшийся относится к кубическому классу 432. Десять из этих двадцати пьезоэлектрических классов являются полярными, т. е. обладают спонтанной поляризацией, имеют диполь в элементарной ячейке и проявляют пироэлектричество. Если этот диполь можно перевернуть путем приложения электрического поля, материал называется сегнетоэлектриком . Любой диэлектрический материал развивает диэлектрическую поляризацию (электростатику) при приложении электрического поля, но вещество, которое имеет такое естественное разделение зарядов даже в отсутствие поля, называется полярным материалом. Является ли материал полярным или нет, определяется исключительно его кристаллической структурой. Только 10 из 32 точечных групп являются полярными. Все полярные кристаллы пироэлектрики, поэтому десять классов полярных кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами.

Классы пьезоэлектрических кристаллов: 1, 2, м, 222, мм2, 4, -4, 422, 4мм, -42м, 3, 32, 3м, 6, -6, 622, 6мм, -62м, 23, -43м.

Пироэлектрик: 1, 2, м, мм2, 3, 3м, 4, 4мм, 6, 6мм.

Связанные эффекты

Два эффекта, тесно связанные с пироэлектричеством, — это сегнетоэлектричество и пьезоэлектричество . Обычно материалы почти электрически нейтральны на макроскопическом уровне. Однако положительные и отрицательные заряды, составляющие материал, не обязательно распределены симметрично. Если сумма зарядов, умноженных на расстояние для всех элементов базовой ячейки, не равна нулю, то ячейка будет иметь электрический дипольный момент (векторную величину). Дипольный момент единицы объема определяется как поляризация диэлектрика. Если этот дипольный момент изменяется под действием приложенных изменений температуры, приложенного электрического поля или приложенного давления, материал является пироэлектриком, сегнетоэлектриком или пьезоэлектриком соответственно.

Сегнетоэлектрический эффект проявляют материалы, которые обладают электрической поляризацией в отсутствие внешнего приложенного электрического поля, так что поляризация может быть изменена на противоположную, если изменить электрическое поле. Поскольку все сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией, все сегнетоэлектрики также являются пироэлектриками (но не все пироэлектрики являются сегнетоэлектриками).

Пьезоэлектрический эффект проявляют кристаллы (например, кварц или керамика), у которых при приложении давления на материале возникает электрическое напряжение. Подобно пироэлектрическому эффекту, это явление связано с асимметричной структурой кристаллов, которая позволяет ионам легче перемещаться вдоль одной оси, чем по другим. При приложении давления каждая сторона кристалла приобретает противоположный заряд, что приводит к падению напряжения на кристалле.

Пироэлектричество не следует путать с термоэлектричеством : при типичной демонстрации пироэлектричества температура всего кристалла изменяется от одной температуры к другой, в результате чего на кристалле возникает временное напряжение. При типичной демонстрации термоэлектричества одна часть устройства поддерживается при одной температуре, а другая часть — при другой, в результате чего на устройстве создается постоянное напряжение, пока существует разница температур. Оба эффекта преобразуют изменение температуры в электрический потенциал, но пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры с течением времени в электрический потенциал, а термоэлектрический эффект преобразует изменение температуры в зависимости от положения в электрический потенциал.

Пироэлектрические материалы

Хотя были созданы искусственные пироэлектрические материалы, этот эффект был впервые обнаружен в таких минералах, как турмалин . Пироэлектрический эффект также присутствует в костях и сухожилиях . [18]

Наиболее важным примером является нитрид галлия , полупроводник. [19] Большие электрические поля в этом материале вредны для светоизлучающих диодов (СИД), но полезны для производства силовых транзисторов. [ нужна цитата ]

Достигнут прогресс в создании искусственных пироэлектрических материалов, обычно в виде тонких пленок, с использованием нитрида галлия ( GaN ) , нитрата цезия ( CsNO3 ), поливинилфторидов , производных фенилпиридина и фталоцианина кобальта . Танталат лития ( Li Ta O 3 ) — кристалл, проявляющий как пьезоэлектрические , так и пироэлектрические свойства, который использовался для создания мелкомасштабного ядерного синтеза (« пироэлектрический синтез »). [20] Недавно пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства были обнаружены у легированного оксида гафния ( Hf O 2 ), который является стандартным материалом в производстве КМОП . [21]

Приложения

Датчики тепла

Очень небольшие изменения температуры могут создать пироэлектрический потенциал. Пассивные инфракрасные датчики часто создаются на основе пироэлектрических материалов, поскольку тепла человека или животного на расстоянии нескольких футов достаточно для генерации напряжения. [22]

Выработка энергии

Пироэлектрик можно многократно нагревать и охлаждать (аналогично тепловому двигателю ) для выработки полезной электроэнергии. Примером теплового двигателя является движение поршней в двигателе внутреннего сгорания, подобном тому, который используется в автомобиле с бензиновым двигателем. [23]

Одна группа подсчитала, что пироэлектрик в цикле Эрикссона может достичь 50% эффективности Карно , [24] [25], в то время как другое исследование обнаружило материал, который теоретически может достичь 84-92% эффективности Карно [26] (эти данные значения эффективности даны для самого пироэлектрика, без учета потерь от нагрева и охлаждения подложки , других потерь при теплопередаче и всех других потерь в других частях системы).

К возможным преимуществам пироэлектрических генераторов для выработки электроэнергии (по сравнению с традиционным тепловым двигателем плюс электрогенератором ) относятся:

Хотя на такое устройство было подано несколько патентов, [29] такие генераторы, судя по всему, еще не близки к коммерциализации.

Термоядерная реакция

Пироэлектрические материалы использовались для создания сильных электрических полей, необходимых для управления ионами дейтерия в процессе ядерного синтеза . Это известно как пироэлектрический синтез .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эшкрофт, Н.В. и Мермин, Северная Дакота Физика твердого тела. (Cengage Learning, 1976).
  2. ^ Чарльз Киттель, 8-е издание. 2016. Введение в физику твердого тела .
  3. ^ аб Вебстер, Джон Дж. (1999). Справочник по измерениям, приборам и датчикам. стр. 32–113. ISBN 978-0-8493-8347-2.
  4. ^ В этой статье термин «напряжение» используется в бытовом смысле, т.е. то, что измеряет вольтметр . На самом деле это электрохимический потенциал , а не электростатический потенциал ( потенциал Гальвани ).
  5. ^ Лю, Кайкай (2017). «Вюрцитовые сплавы BAlN и BGaN для поляризационной техники гетероинтерфейса». Письма по прикладной физике . 111 (22): 222106. Бибкод : 2017ApPhL.111v2106L. дои : 10.1063/1.5008451. hdl : 10754/626289 .
  6. ^ Дарбаниян, Ф.; Шарма, П. (2018). «Разработка мягких пироэлектрических и электрокалорических материалов с использованием электретов». Мягкая материя . 15 (2): 262–277. Бибкод : 2019SMat...15..262D. дои : 10.1039/C8SM02003E. PMID  30543261. S2CID  56145736.
  7. ^ Дамьянович, Драган (1998). «Сегнетоэлектрические, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства тонких сегнетоэлектрических пленок и керамики». Реп. прог. Физ . 61 (9): 1267–1324. Бибкод : 1998RPPh...61.1267D. дои : 10.1088/0034-4885/61/9/002. S2CID  250873563.
  8. ^ Иоганн Георг Шмидт, Curiöse Speculationes bey Schalflosen Nächten [Любопытные размышления во время бессонных ночей] (Хемниц и Лейпциг (Германия): Конрад Штёссен, 1707), страницы 269-270. Английский перевод соответствующего отрывка представлен в: Sidney B. Lang, Sourcebook of Pyroelectricity , vol. 2 (Нью-Йорк, Нью-Йорк: Гордон и Брич, 1974), стр. 96.
  9. ^ «Разнообразные наблюдения за общим телосложением», Histoire de l'Académie des Sciences (1717); см. страницы 7–8.
  10. ^ Карл фон Линне («Линней»), Flora Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae [Флора Цейлона: состоит из индийских растений острова Цейлон] (Стокгольм («Holmiae»), Швеция: Laurentii Salvii, 1747), стр. 8. Перевод соответствующего отрывка имеется у Ланга (1974), стр. 103.
  11. ^ Эпин (1756) «Мемуары о некоторых новых замечательных электрических экспериментах», Histoire de l'Académie royale des Sciences et des belles lettres (Берлин), vol. 12, страницы 105–121.
  12. ^ Брюстер, Дэвид (1824). «Наблюдения пироэлектричества минералов». Эдинбургский научный журнал . 1 : 208–215.
  13. ^ Уильям Томсон (1878) «О термоупругих, термомагнитных и пироэлектрических свойствах материи», Философский журнал , серия 5, том. 5, страницы 4–26.
  14. ^ В. Фойгт (1897) «Versuch zur Bestimmung des wahren specifischen electricschen Momentes eines Turmalins» (Эксперимент по определению истинного удельного электрического момента турмалина), Annalen der Physik , vol. 60, стр. 368–375.
  15. ^ Жак Кюри и Пьер Кюри, «Развитие сжатия полярного электричества в полукруглых кристаллах с наклонными лицами», Bulletin de la Société Minéralogique de France, vol. 3 (4), 90–93, 1880.
  16. ^ Эрл Р. Кейли и Джон Ф.К. Ричардс, Теофраст: О камнях (Колумбус, Огайо: Университет штата Огайо, 1956), стр. 110, строка 12 комментария: «Уотсон отождествляет лингунон Теофраста с турмалином, но, очевидно, его мнение частично основано на притягательных свойствах нагретого турмалина, которые были недавно открыты. Это отождествление повторяется различными более поздними авторами. Например, Дана утверждает, что линкурий предположительно является древним названием обычного турмалина. Однако отсутствие турмалина среди сохранившихся примеры древних драгоценных камней явно противоречат этой точке зрения».
  17. ↑ Эрл Р. Кейли и Джон Ф.К. Ричардс, Теофраст: На камнях (Колумбус, Огайо: Университет штата Огайо, 1956), стр. 51, абзац 28 оригинального текста: «Он [ смарагдос ] замечателен в своих силах, как и лингурион [т. е. камень из рысиной мочи]… Он обладает силой притяжения, как и янтарь, и некоторые говорят, что он притягивает не только соломинки и куски дерева, но также медь и железо, если куски тонкие , как объяснял Диокл».
  18. ^ ЛАНГ, СИДНИ Б. (ноябрь 1966 г.). «Пироэлектрический эффект в костях и сухожилиях». Природа . 212 (5063): 704–705. Бибкод : 1966Natur.212..704L. дои : 10.1038/212704a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4205482.
  19. ^ Нитрид галлия (GaN): физика, устройства и технологии». 2015. ЦРК Пресс. 16 октября
  20. ^ Наранхо, Б.; Гимжевски, Дж. К.; Путтерман, С. (2005). «Наблюдение ядерного синтеза с помощью пироэлектрического кристалла». Природа . 434 (7037): 1115–1117. Бибкод : 2005Natur.434.1115N. дои : 10.1038/nature03575. ISSN  0028-0836. PMID  15858570. S2CID  4407334.
  21. ^ Март, К.; Кемпфе, Т.; Хоффманн, Р.; Эслингер, С.; Кирбах, С.; Кюнель, К.; Черногорский, М.; Энг, Л.М.; Вайнрайх, В. (2020). «Пьезоэлектрический отклик тонких пленок оксида гафния, легированного поликристаллическим кремнием, определяемый быстрыми температурными циклами». Передовые электронные материалы . 6 (3): 1901015. doi : 10.1002/aelm.201901015 .
  22. ^ «Классификация целей с использованием пироэлектрических инфракрасных датчиков в необслуживаемой дикой местности» . МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЖУРНАЛ ПО УМНОМУ ЗОНДИРОВАНИЮ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ СИСТЕМАМ . 6 (5).
  23. ^ «Тепловой двигатель - энергетическое образование» . Energyeducation.ca . Проверено 7 сентября 2023 г.
  24. ^ Зебальд, Гаэль; Пруво, Себастьен; Гайомар, Дэниел (2008). «Сбор энергии на основе пироэлектрических циклов Эрикссона в релаксорной сегнетоэлектрической керамике» (PDF) . Умные материалы и конструкции . 17 (1): 015012. Бибкод : 2008SMaS...17a5012S. дои : 10.1088/0964-1726/17/01/015012. S2CID  108894876.
  25. ^ Зебальд, Гаэль; Гайомар, Дэниел; Агбоссу, Аминь (2009). «О термоэлектрической и пироэлектрической энергии». Умные материалы и конструкции . 18 (12): 125006. Бибкод : 2009SMaS...18l5006S. дои : 10.1088/0964-1726/18/12/125006. S2CID  53378208.
  26. ^ Олсен, Рэндалл Б.; Эванс, Дайан (1983). «Пироэлектрическое преобразование энергии: гистерезисные потери и температурная чувствительность сегнетоэлектрического материала». Журнал прикладной физики . 54 (10): 5941–5944. Бибкод : 1983JAP....54.5941O. дои : 10.1063/1.331769.
  27. ^ Пандия, Шишир; Веларде, Габриэль; Чжан, Лей; Уилбур, Джошуа Д.; Смит, Эндрю; Ханрахан, Брендан; Дамс, Крис; Мартин, Лейн В. (07.06.2019). «Новый подход к сбору энергии отработанного тепла: пироэлектрическое преобразование энергии». Материалы НПГ Азия . 11 (1): 1–5. дои : 10.1038/s41427-019-0125-y . ISSN  1884-4057.
  28. ^ Кучачвили, Л; Икура, М (2007). «Пироэлектрическое преобразование - Влияние предварительной обработки P (VDF – TrFE) на преобразование энергии». Журнал электростатики . 65 (3): 182–188. doi :10.1016/j.elstat.2006.07.014.
  29. ^ Например: патент США 4647836, патент США 6528898, патент США 5644184.

Внешние ссылки