Пироэлектрический эффект

Из рассмотренного ранее соотношения явление (эффект) = свойство * воздействие следует, что если воздействие скалярно, а эффект – векторный, то и свойство должно быть векторным (тензорным), т.е.

Вектор = вектор * скаляр.

Классическим свойством кристаллов, подчиняющихся этому правилу, является пироэлектрический эффект (на диаграмме эта связь под №12).

Пироэлектричество проявляется в свойстве кристалла диэлектрика изменять величину электрической поляризации при изменении температуры. В результате нагревания или охлаждения пироэлектрического кристалла на его гранях появляются электрические заряды.

Кристаллы пироэлектрических веществ это диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризацией.

Например, это турмалин, пентаэритрит. К пироэлектрикам относятся также сегнетоэлектрики, это так называемые – “мягкие пироэлектрики“ у которых направление спонтанной поляризации можно изменить внешним полем.

В таких кристаллах можно выделить элементарные ячейки, имеющие некомпенсированный электрический дипольный момент:

p = q· l,

где q – заряд, l – расстояние между равными и противоположными по знаку зарядами.

Если диполи ориентированы одинаково, то кристалл оказывается электрически поляризованным. Спонтанная поляризация определяется как сумма дипольных моментов в единице объема:

.

Численно она равна поверхностной плотности зарядов σ на противоположных гранях кристалла, нормальных к направлению P.

Если кристалл достаточно долго находится при постоянной температуре, то избыточные заряды на его поверхности компенсируются за счет утечек, взаимодействия с ионами воздуха и кристалл практически не обнаруживает внешне электрической поляризации. Если температуру кристалла однородно изменить на ∆t, то анизотропно меняются расстояния и углы между элементарными ячейками, меняется спонтанная поляризация, смещаются заряды диполей и в кристалле появляется постоянная поляризация вдоль направления, называемого электрической осью. То есть в результате изотропного действия температуры (∆t) в кристалле появляется дополнительно электрическая поляризация ∆p, то есть векторное свойство.

Впервые пироэлектрический эффект был обнаружен на кристаллах турмалина. На белой бумаге, на которой лежали кристаллы, пыль собиралась около концов кристалла (поляризация появлялась при колебаниях комнатной температуры). Особенно наглядно это проявляется, если нагретый кристалл турмалина посыпать порошком из смеси серы и сурика, которые при трении поляризуются. Пылинки серы и сурика притягиваются к разным по знаку заряда концам кристалла. Другая известная демонстрация эффекта – если охладить кристалл турмалина в жидком азоте, а затем вынуть на воздух, то на концах кристалла начинает расти “борода” из ледяных кристаллов, образующихся при замерзании частиц влаги, конденсирующихся из воздуха.

Уравнение пироэлектрического эффекта в общем нелинейно

∆P=γ₁∆t+ γ₂∆t²,

где γ₁,γ₂- коэффициенты пироэлектрического эффекта (γ₁<<γ₂). Часто ограничиваются линейным уравнением

∆P=γ∆t,

где ∆t- скаляр, ∆P,γ- векторы.

Пироэлектрические кристаллы используются достаточно давно, но недостаточно широко.

Они очень перспективны для изделий микросистемной техники.

Что на них можно делать?

Датчики температуры с чувствительностью вплоть до 10^{-9 0}C.

Приемники инфракрасного излучения, датчики ударных волн, измерители напряжения, ячейки памяти. Используют их и в преобразователях тепловой (не обязательно солнечной) энергии в электрическую.

Некоторые цифры. Пластинка турмалина, толщиной 1 мм, имеет γ= 1,3*10^-5 Кл/м² *К. Регистрирует изменение температуры 10^{-5 0}C. При нагреве на 10 ⁰C на ней образуется заряд с поверхностно плотностью 5*10^-5 Кл*м², что соответствует разности потенциала между гранями ~1,2кВ. У сегнетоэлектриков пироэлектрический коэффициент на 1-2 порядка больше, чем у турмалина.

Некоторые значения γ при 20 ⁰C.

Турмалин 1,3*10^-5

Сульфат лития 3*10^-4

Ниобат лития 2*10^-3

Танталат лития 1*10^-4

Титанат бария (0,5-1)*10^-3

Сегнетокерамика 5*10^-5

(цирконат-титанат свинца)

Наблюдение и использование пироэлектрического эффекта осложняется и ограничивается эффектами проводимости (утечками).

Кроме того, каждый пироэлектрический кристалл является пьезоэлектриком. Изменение температуры кристалла, особенно неоднородное, вызывает деформацию, а следом идет пьезоэлектрическая поляризация, накладывающаяся на поляризацию, вызванную пироэффектом. То есть имеет место “первичный” (“истинный”) пироэффект и “вторичный” или “ложный” пироэффект.

Если поместить пироэлектрический кристалл в электрическое поле и менять его напряженность, то должен наблюдаться обратный пироэлектрическому электрокалорический эффект(10), то есть изменение температуры пироэлектрика, вызванное изменением приложенного к нему электрического поля. Его предсказали ещё в 19 веке Липман (1880) и Кельвин (1889), а вскоре обнаружили и экспериментально. Но он очень мал: для той же пластинки турмалина в 1 мм толщиной, изменение на 1/300 В дает изменение температуры порядка 10^{-5 0}C. В сегнетодиэлектриках чувствительность значительно выше: так, в кристаллах КН₂РО₄ температура фазового перехода за счет сильных полей (вблизи точки Кюри) может изменяться примерно на 2⁰C.