Пироэлектричество (от греч. Pyr, «огонь» и электричество), электрическое поле, создаваемое в некоторых кристаллах при нагревании материала. Пироэлектрический эффект — это способность некоторых кристаллов генерировать электрический заряд при изменении температуры. Пироэлектрические явления схожи с пьезоэлектрическими явлениями, когда на поверхности кристалла при механическом сжатии образуется электрический заряд.
История открытия
Легенда гласит, что первая запись о пироэлектричестве была сделана древнегреческим философом и ботаником Теофрастом в 314 году до нашей эры. Согласно этим записям, Теофраст заметил, что кристаллы минерала турмалина при нагревании начинают притягивать к себе кусочки пепла и соломы. Гораздо позже, в 1707 году, немецкий гравер Иоганн Шмидт заново открыл явление пироэлектричества.
Другая версия приписывает открытие пироэлектричества знаменитому древнегреческому философу и путешественнику Фалесу Милетскому, который, согласно этой версии, сделал это открытие в начале шестого века до нашей эры. Во время своих путешествий по восточным странам Фалес делал заметки о минералах и астрономии.
Изучая способность измельченного янтаря притягивать соломинки и ворсинки, он смог научно объяснить феномен фрикционных звонков. Позже Платон описал эту историю в своем диалоге «Тимей». После Платона, уже в X веке, персидский философ Аль-Бируни в своем труде «Минералогия» опишет подобные свойства кристаллов граната.
Связь между пироэлектричеством кристаллов и другими подобными электрическими явлениями была продемонстрирована и развита в 1757 году, когда Франц Эпинус и Йохан Вильке начали изучать поляризацию некоторых материалов при взаимном трении.
127 лет спустя немецкий физик Август Кундт продемонстрировал поразительный эксперимент, в котором он нагрел кристалл турмалина и высыпал в сито смесь молотой серы и серного порошка. Сера становится положительно заряженной, а минерал — отрицательно, так что оранжево-красный минерал окрашивает одну сторону кристалла турмалина, а другая сторона покрывается ярко-желтой серой. Затем Огюст Квинт охладил турмалин, «полярность» кристаллов изменилась, и цвет стал противоположным. Публика была в восторге.
Суть этого явления заключается в том, что при изменении температуры кристалла турмалина всего на один градус в нем создается электрическое поле напряженностью около 400 вольт на сантиметр. Обратите внимание, что турмалин, как и все пироэлектричество, является формой пьезоэлектричества (кстати, не все пьезоэлектричество является пироэлектричеством).
Физическая основа
В физике пироэлектричество определяется как электрическое поле, возникающее в кристалле при изменении температуры. Изменение температуры может быть вызвано прямым нагревом, трением или облучением. К таким кристаллам относятся диэлектрики, которые обладают спонтанной поляризацией в отсутствие внешних воздействий.
Спонтанная поляризация обычно незначительна, поскольку создаваемое ею электрическое поле компенсируется электрическим полем свободных зарядов, втекающих в кристалл из окружающего воздуха и объема кристалла. При изменении температуры кристалла изменяется и величина его спонтанной поляризации, что приводит к появлению электрического поля, которое наблюдается до того, как произойдет компенсация свободных зарядов.
Спонтанные изменения поляризации в пироэлектриках могут быть вызваны не только изменениями температуры, но и механическими деформациями. Вот почему все пироэлектрики являются также пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики являются пироэлектриками. Спонтанная поляризация, т.е. несовпадение центров тяжести отрицательных и положительных зарядов в кристалле, обусловлена низкой естественной симметрией кристалла.
Применение пироэлектричества
Сегодня пироэлектричество используется в качестве сенсорного элемента в различных приложениях, в составе приемников и детекторов излучения, термометров и т.д. Все эти устройства используют ключевое свойство пироэлектричества, а именно: любой тип излучения, воздействующий на образец, изменяет его температуру и вызывает соответствующее изменение его поляризации. Если поверхность образца покрыта проводящими электродами и они подключены к измерительной цепи, через нее будет протекать ток.
Если на входе в пироэлектрический датчик имеется какой-либо поток излучения, который вызывает колебания температуры пироэлектрика (например, путем искусственного регулирования интенсивности излучения), то выходной ток также будет колебаться с определенной частотой.
Преимущества пироэлектрических детекторов излучения включают неограниченный диапазон частот излучения, которые могут быть обнаружены, высокую чувствительность, быстрое время отклика и устойчивость к высоким температурам. Пироэлектрические детекторы особенно перспективны в инфракрасном спектре.
Они эффективно решают задачи обнаружения тепловых потоков малой мощности, измерения мощности и формы коротких лазерных импульсов, а также бесконтактного и контактного измерения температуры (вплоть до микроградусов) с высокой чувствительностью.
Сегодня серьезно обсуждается возможность использования пироэлектричества для преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую: переменный ток лучистой энергии генерирует переменный ток во внешней цепи пироэлектрического элемента. Хотя такое устройство не будет столь же эффективным, как существующие методы преобразования энергии, этот способ преобразования будет приемлемым для некоторых конкретных применений.
Особенно перспективной является возможность использования пироэлектрического эффекта для наблюдения пространственного распределения излучения в системах инфракрасной визуализации (приборы ночного видения и т.д.). Был разработан пироэлектрический Vidicon — излучающая тепловая телевизионная трубка с пироэлектрической мишенью.
Изображение теплого объекта проецируется на мишень, на которой строится соответствующий рисунок зарядов, считываемый сканирующим электронным пучком. Напряжение, создаваемое током электронного луча, управляет яркостью электронного луча и таким образом рисует изображение объекта на экране.
