Piroelektricitet—otkriće, fizičke osnove i primjene
Povijest otkrića
Legenda kaže da je prve zapise o piroelektricitetu napravio starogrčki filozof i botaničar Teofrast 314. pr. Prema tim zapisima, Teofrast je jednom primijetio da kristali minerala turmalina, kada se zagriju, počinju privlačiti komadiće pepela i slame. Mnogo kasnije, 1707. godine, fenomen piroelektriciteta ponovno je otkrio njemački graver Johann Schmidt.
Postoji i druga verzija, prema kojoj se otkriće piroelektriciteta pripisuje poznatom starogrčkom filozofu i putniku Thalesu iz Mileta, koji je, prema ovoj verziji, to otkriće napravio početkom 6. stoljeća pr. N. E. Putujući u istočne zemlje, Thales je napravio bilješke o mineralima i astronomiji.
Istražujući sposobnost utrljanog jantara da privlači slamke i prema dolje, uspio je znanstveno protumačiti fenomen elektrifikacije trenjem. Platon će kasnije opisati ovu priču u dijalogu o Timeju.Nakon Platona, već u 10. stoljeću, perzijski filozof Al-Biruni u svom djelu "Mineralogija" opisuje slična svojstva kristala granata.
Veza između piroelektriciteta kristala i drugih sličnih električnih fenomena bit će dokazana i razvijena 1757., kada su Franz Epinus i Johann Wilke počeli proučavati polarizaciju određenih materijala dok se trljaju jedan o drugi.
Njemački fizičar August Kundt nakon 127 godina prikazat će živopisni pokus u kojem će zagrijati kristal turmalina i prosuti ga kroz sito mješavinom crvenog olova i praha sumpora. Sumpor će biti pozitivno nabijen, a crveno olovo negativno, što će rezultirati time da crveno-narančasto crveno olovo oboji jednu stranu kristala turmalina, a drugu stranu prekrije svijetlo žuto-sivo. August Kund je zatim ohladio turmalin, "polaritet" kristala se promijenio i boje su zamijenile mjesta. Publika je bila oduševljena.
Suština fenomena je da kada se temperatura kristala turmalina promijeni za samo 1 stupanj, u kristalu se pojavi električno polje od oko 400 volti po centimetru. Imajte na umu da je turmalin, kao i svi piroelektrici, oboje piezoelektrični (usput, nisu svi piezoelektrici piroelektrici).
Fizički temelji
Fizikalno, fenomen piroelektriciteta definiran je kao pojava električnog polja u kristalima uslijed promjene njihove temperature. Promjena temperature može biti uzrokovana izravnim zagrijavanjem, trenjem ili zračenjem. Ovi kristali uključuju dielektrike sa spontanom (spontanom) polarizacijom u odsutnosti vanjskih utjecaja.
Spontana polarizacija obično se ne primjećuje jer je električno polje koje stvara neutralizirano električnim poljem slobodnih naboja koje na kristal nanosi okolni zrak i glavnina kristala. Pri promjeni temperature kristala mijenja se i veličina njegove spontane polarizacije, što dovodi do pojave električnog polja, koje se opaža prije nego što dođe do kompenzacije slobodnim nabojima.
Promjena spontane polarizacije piroelektrika može biti potaknuta ne samo promjenom njihove temperature, već i mehaničkom deformacijom. Zato su svi piroelektrici ujedno i piezoelektrici, ali nisu svi piezoelektrici piroelektrici.Spontana polarizacija, odnosno neusklađenost težišta negativnog i pozitivnog naboja unutar kristala, objašnjava se malom prirodnom simetrijom kristala.
Primjena piroelektriciteta
Danas se piroelektrici koriste kao senzori za razne namjene, kao dio prijemnika i detektora zračenja, termometara itd. Svi ovi uređaji iskorištavaju ključno svojstvo piroelektrike - bilo koja vrsta zračenja koja djeluje na uzorak uzrokuje promjenu temperature uzorka i odgovarajuću promjenu njegove polarizacije. Ako se u tom slučaju površina uzorka prekrije vodljivim elektrodama i te elektrode spoje žicama na mjerni krug, tada će kroz taj krug teći električna struja.
A ako postoji protok bilo koje vrste zračenja na ulazu piroelektričnog pretvarača, što uzrokuje fluktuacije u temperaturi piroelektrika (periodičnost se postiže, na primjer, umjetnom modulacijom intenziteta zračenja), tada je električna struja dobiven na izlazu, koji se također mijenja s određenom frekvencijom .
Prednosti piroelektričnih detektora zračenja su: beskonačno širok raspon frekvencija detektiranog zračenja, visoka osjetljivost, velika brzina, toplinska stabilnost. Primjena piroelektričnih prijemnika u infracrvenom području posebno je obećavajuća.
Oni zapravo rješavaju problem detekcije tokova toplinske energije male snage, mjerenja snage i oblika kratkih laserskih impulsa te visokoosjetljivog beskontaktnog i kontaktnog mjerenja temperature (s mikrostupnjevnom preciznošću).
Danas se ozbiljno raspravlja o mogućnosti korištenja piroelektrika za izravnu pretvorbu toplinske energije u električnu: izmjenični tok energije zračenja stvara izmjeničnu struju u vanjskom krugu piroelektričnog elementa. Iako je učinkovitost takvog uređaja niža od postojećih metoda pretvorbe energije, ipak je za neke posebne primjene ova metoda pretvorbe sasvim prihvatljiva.
Posebno obećava već korištena mogućnost korištenja piroelektričnog efekta za vizualizaciju prostorne distribucije zračenja u infracrvenim slikovnim sustavima (noćno gledanje i sl.). Stvorio piroelektrične vidikone — televizijske cijevi za prijenos topline s piroelektričnom metom.
Slika toplog objekta projicira se na metu, gradeći na njoj odgovarajući reljef naboja, koji se očitava skenirajućom elektronskom zrakom. Električni napon stvoren strujom elektronskog snopa kontrolira svjetlinu snopa koji oslikava sliku objekta na ekranu.