Püroelekter – avastamine, füüsiline alus ja rakendused
Avastuste ajalugu
Legend räägib, et esimesed andmed püroelektrilisuse kohta tegi Vana-Kreeka filosoof ja botaanik Theophrastus aastal 314 eKr. Nende ülestähenduste kohaselt märkas Theophrastus kord, et mineraalse turmaliini kristallid hakkasid kuumutamisel ligi tõmbama tuha- ja põhutükke. Palju hiljem, 1707. aastal, avastas püroelektri fenomeni uuesti saksa graveerija Johann Schmidt.
On veel üks versioon, mille kohaselt on püroelektri avastamine omistatud kuulsale Vana-Kreeka filosoofile ja rändurile Thalesele Mileetusest, kes selle versiooni kohaselt tegi avastuse 6. sajandi alguses eKr. N. E. Reisides idapoolsetesse riikidesse, tegi Thales märkmeid mineraalide ja astronoomia kohta.
Uurides hõõrdunud merevaigu võimet tõmmata kõrsi ja allapoole, suutis ta teaduslikult tõlgendada hõõrdumise teel elektriseerumise nähtust. Platon kirjeldas seda lugu hiljem Timaiuse dialoogis.Pärast Platonit, juba 10. sajandil, kirjeldas pärsia filosoof Al-Biruni oma teoses "Mineraloogia" granaadikristallide sarnaseid omadusi.
Seos kristallide püroelektrilisuse ja muude sarnaste elektriliste nähtuste vahel sai tõestatud ja välja kujunenud 1757. aastal, kui Franz Epinus ja Johann Wilke hakkasid uurima teatud materjalide polariseerumist nende üksteise vastu hõõrudes.
Saksa füüsik August Kundt näitab 127 aasta pärast elavat katset, mille käigus ta soojendab turmaliini kristalli ja valab selle punase plii- ja väävlipulbrite seguga läbi sõela. Väävel on positiivselt laetud ja punane plii negatiivselt laetud, mille tulemusena värvub punakasoranž punane plii turmaliinikristalli üks pool ja teine külg on kaetud erekollase-halliga. August Kund jahutas seejärel turmaliini, kristalli "polaarsus" muutus ja värvid vahetasid kohta. Publik oli rõõmus.
Nähtuse olemus seisneb selles, et kui turmaliinikristalli temperatuur muutub vaid 1 kraadi võrra, tekib kristalli umbes 400 volti elektriväli sentimeetri kohta. Pange tähele, et turmaliin, nagu kõik püroelektrikud, on mõlemad piesoelektriline (muide, kõik piesoelektrikud pole püroelektrikud).
Füüsilised alused
Füüsiliselt on püroelektri nähtus defineeritud kui elektrivälja tekkimine kristallides nende temperatuuri muutumise tõttu. Temperatuuri muutuse põhjuseks võib olla otsene kuumenemine, hõõrdumine või kiirgus. Nende kristallide hulka kuuluvad välismõjude puudumisel spontaanse (spontaanse) polarisatsiooniga dielektrikud.
Spontaanset polarisatsiooni tavaliselt ei märgata, sest selle tekitatud elektrivälja kompenseerib vabade laengute elektriväli, mida ümbritsev õhk ja suurem osa kristallist avaldavad kristallile. Kui kristalli temperatuur muutub, muutub ka selle spontaanse polarisatsiooni suurus, mis viib elektrivälja ilmnemiseni, mida täheldatakse enne vabade laengutega kompenseerimist.
Püroelektriliste elementide spontaanse polarisatsiooni muutumise võib algatada mitte ainult nende temperatuuri muutus, vaid ka mehaaniline deformatsioon. Seetõttu on kõik püroelektrikud ka piesoelektrikud, kuid mitte kõik piesoelektrikud pole püroelektrikud Spontaanne polarisatsioon ehk kristalli sees olevate negatiivsete ja positiivsete laengute raskuskeskmete mittevastavus on seletatav kristalli vähese loomuliku sümmeetriaga.
Püroelektri rakendused
Tänapäeval kasutatakse püroelektrit erinevatel eesmärkidel sensorseadmetena, kiirgusvastuvõtjate ja -detektorite, termomeetrite jms osana. Kõik need seadmed kasutavad ära püroelektrika põhiomadust – mis tahes tüüpi proovile mõjuv kiirgus põhjustab proovi temperatuuri muutuse ja vastava muutuse selle polarisatsioonis. Kui sel juhul on proovi pind kaetud juhtivate elektroodidega ja need elektroodid on juhtmetega ühendatud mõõteahelaga, siis läbib selle ahela elektrivool.
Ja kui püroelektrilise muunduri sisendis voolab igasugune kiirgus, mis põhjustab püroelektri temperatuuri kõikumisi (perioodilisus saadakse näiteks kiirguse intensiivsuse kunstliku moduleerimisega), siis on elektrivool. saadud väljundis, mis samuti muutub teatud sagedusega .
Püroelektriliste kiirgusdetektorite eeliste hulka kuuluvad: lõpmatult lai tuvastatud kiirguse sagedusvahemik, kõrge tundlikkus, suur kiirus, termiline stabiilsus. Eriti paljutõotav on püroelektriliste vastuvõtjate kasutamine infrapuna piirkonnas.
Need lahendavad tegelikult väikese võimsusega soojusenergia voogude tuvastamise, lühikeste laserimpulsside võimsuse ja kuju mõõtmise ning ülitundliku kontaktivaba ja kontakttemperatuuri mõõtmise (mikrokraadise täpsusega) probleemi.
Tänapäeval arutatakse tõsiselt võimalust kasutada püroelektrit soojusenergia otseseks muundamiseks elektrienergiaks: kiirgusenergia vahelduv voog tekitab püroelektrilise elemendi välisahelas vahelduvvoolu. Ja kuigi sellise seadme kasutegur on madalam kui olemasolevatel energia muundamise meetoditel, on see muundusmeetod mõne erirakenduse jaoks siiski üsna vastuvõetav.
Eriti paljutõotav on juba kasutusel olev võimalus kasutada püroelektrilist efekti kiirguse ruumilise jaotuse visualiseerimiseks infrapunakuvamissüsteemides (öine nägemine jne). Loodud püroelektrilised vidikoonid — püroelektrilise sihtmärgiga soojust läbilaskvad teleritorud.
Sooja objekti kujutis projitseeritakse sihtmärgile, ehitades sellele laengu vastava reljeefi, mida skaneeriv elektronkiir loeb. Elektronkiire voolu tekitatud elektripinge juhib selle kiire heledust, mis maalib ekraanile objekti kujutise.