Pyroelectricity—Penemuan, Asas Fizikal dan Aplikasi

Sejarah penemuan

Legenda mengatakan bahawa rekod pertama piroelektrik telah dibuat oleh ahli falsafah Yunani kuno dan ahli botani Theophrastus pada 314 SM. Menurut rekod ini, Theophrastus pernah menyedari bahawa kristal turmalin mineral, apabila dipanaskan, mula menarik kepingan abu dan jerami. Tidak lama kemudian, pada tahun 1707, fenomena piroelektrik ditemui semula oleh pengukir Jerman Johann Schmidt.

Terdapat versi lain, yang menurutnya penemuan piroelektrik dikaitkan dengan ahli falsafah Yunani kuno yang terkenal dan pengembara Thales of Miletus, yang, menurut versi ini, membuat penemuan pada awal abad ke-6 SM. N. E. Mengembara ke negara timur, Thales membuat nota tentang mineral dan astronomi.

Dengan menyiasat keupayaan ambar yang digosok untuk menarik straw dan ke bawah, beliau dapat mentafsir secara saintifik fenomena elektrifikasi melalui geseran. Plato kemudiannya menerangkan kisah ini dalam dialog Timaeus.Selepas Plato, sudah pada abad ke-10, ahli falsafah Parsi Al-Biruni dalam karyanya "Mineralogi" menggambarkan sifat serupa kristal garnet.

Hubungan antara piroelektrik kristal dan fenomena elektrik lain yang serupa akan dibuktikan dan dibangunkan pada tahun 1757, apabila Franz Epinus dan Johann Wilke mula mengkaji polarisasi bahan tertentu semasa mereka bergesel antara satu sama lain.

Selepas 127 tahun, ahli fizik Jerman August Kundt akan menunjukkan eksperimen yang jelas di mana dia akan memanaskan kristal turmalin dan menuangkannya melalui penapis dengan campuran serbuk plumbum merah dan sulfur. Sulfur akan dicas positif dan plumbum merah dicas negatif, mengakibatkan plumbum merah merah jingga mewarnai satu sisi kristal turmalin dan bahagian yang satu lagi dilitupi kelabu kuning terang. August Kund kemudian menyejukkan turmalin, "polarity" kristal berubah dan warna bertukar tempat. Penonton berasa gembira.

Intipati fenomena ini ialah apabila suhu kristal turmalin berubah hanya 1 darjah, medan elektrik kira-kira 400 volt per sentimeter muncul dalam kristal. Ambil perhatian bahawa turmalin, seperti semua piroelektrik, adalah kedua-duanya piezoelektrik (by the way, bukan semua piezoelektrik adalah piroelektrik).

Asas fizikal

Secara fizikal, fenomena piroelektrik ditakrifkan sebagai kemunculan medan elektrik dalam kristal akibat perubahan suhunya. Perubahan suhu boleh disebabkan oleh pemanasan langsung, geseran atau sinaran. Kristal ini termasuk dielektrik dengan polarisasi spontan (spontan) tanpa ketiadaan pengaruh luar.

Polarisasi spontan biasanya tidak disedari kerana medan elektrik yang dihasilkannya diimbangi oleh medan elektrik cas bebas yang dikenakan pada kristal oleh udara sekeliling dan oleh sebahagian besar kristal. Apabila suhu kristal berubah, magnitud polarisasi spontannya juga berubah, yang membawa kepada kemunculan medan elektrik, yang diperhatikan sebelum pampasan dengan caj percuma berlaku.

Perubahan dalam polarisasi spontan piroelektrik boleh dimulakan bukan sahaja dengan perubahan suhunya, tetapi juga oleh ubah bentuk mekanikal. Itulah sebabnya semua piroelektrik juga adalah piezoelektrik, tetapi tidak semua piezoelektrik adalah piroelektrik.Polarisasi spontan, iaitu, ketidakpadanan pusat graviti cas negatif dan positif di dalam kristal, dijelaskan oleh simetri semula jadi yang rendah bagi kristal.

Aplikasi piroelektrik

Hari ini, piroelektrik digunakan sebagai peranti penderiaan untuk pelbagai tujuan, sebagai sebahagian daripada penerima dan pengesan sinaran, termometer, dll. Semua peranti ini mengeksploitasi sifat utama piroelektrik—sebarang jenis sinaran yang bertindak ke atas sampel menyebabkan perubahan dalam suhu sampel dan perubahan yang sepadan dalam polarisasinya. Jika dalam kes ini permukaan sampel ditutup dengan elektrod konduktif dan elektrod ini disambungkan dengan wayar ke litar pengukur, maka arus elektrik akan mengalir melalui litar ini.

Dan jika terdapat aliran apa-apa jenis sinaran pada input penukar piroelektrik, yang menyebabkan turun naik suhu piroelektrik (periodicity diperoleh, sebagai contoh, dengan modulasi buatan intensiti sinaran), maka arus elektrik adalah diperoleh pada output, yang juga berubah dengan frekuensi tertentu .

Kelebihan pengesan sinaran piroelektrik termasuk: julat yang tidak terhingga luas frekuensi sinaran yang dikesan, kepekaan tinggi, kelajuan tinggi, kestabilan terma. Penggunaan penerima piroelektrik di kawasan inframerah amat menjanjikan.

Mereka sebenarnya menyelesaikan masalah mengesan aliran tenaga haba berkuasa rendah, mengukur kuasa dan bentuk denyutan laser pendek, dan pengukuran suhu bukan sentuhan dan sentuhan yang sangat sensitif (dengan ketepatan microdegree).

Hari ini, kemungkinan menggunakan piroelektrik untuk menukar secara langsung tenaga haba kepada tenaga elektrik dibincangkan dengan serius: aliran berselang-seli tenaga sinaran menghasilkan arus ulang-alik dalam litar luaran unsur piroelektrik. Dan walaupun kecekapan peranti sedemikian adalah lebih rendah daripada kaedah penukaran tenaga sedia ada, masih untuk beberapa aplikasi khas kaedah penukaran ini agak boleh diterima.

Kemungkinan yang telah digunakan untuk menggunakan kesan piroelektrik untuk menggambarkan taburan spatial sinaran dalam sistem pengimejan inframerah (penglihatan malam, dsb.) amat menjanjikan. Vidikon piroelektrik tercipta — tiub televisyen pemancar haba dengan sasaran piroelektrik.

Imej objek panas dipancarkan ke sasaran, membina di atasnya pelepasan cas yang sepadan, yang dibaca oleh pancaran elektron pengimbasan. Voltan elektrik yang dicipta oleh arus rasuk elektron mengawal kecerahan rasuk yang melukis imej objek pada skrin.