PYROELECTRICS - cristalin. dielectrice, la suprafața căreia, cu o schimbare a temperaturii T, apare un curent electric. taxe. Aspectul electric. încărcările sunt asociate cu o schimbare a polarizării spontane.
Istoric istoric. La început. 18 secol. În Europa, cristalele de turmalină ("magnetul Ceylon"), care au proprietatea de încălzire pentru a exercita o forță asupra particulelor de cenușă, au fost aduse în Europa. F.U.T.Epinus (F.U.Apinus, 1756) a stabilit cauza - formarea acuzațiilor semnului opus la capetele unui cristal încălzit. Termenul "piroelectricitate" a fost introdus de D. Brewster (D. Brewster, 1824). Kelvin (W. Thomson, Lordul Kelvin) a asociat piroelectricitatea. efect cu o schimbare a electricității. polarizare în schimbare T. Ackermann (W. Ackermann, 1915) a investigat efectul piroelectric într-un număr de cristale într-o gamă largă de T și a găsit o tendință la o scădere a piroelektrich. efect cu scăderea T. Primul microscopic. Teoria a fost creată de SA Boguslavski (1915). Mai târziu sa stabilit că în feroelectrică magnitudinea efectului este foarte mare în apropierea punctului de tranziție de fază.
Polarizarea spontană P0 poate exista numai la o simetrie suficient de mică a cristalului. T dependente au polarizare spontană, adică nu poate fi decât cristale P. într-un-ryh este o direcție polară care nu se schimbă la toate transformările de simetrie (polare): dielectrice .. Acesta este situat de-a lungul acestui P0 vector direcție. O astfel de direcție polară este posedată de cristale de 10 grupe de simetrie: 1, 2, 3, 4, 6, vol. Sm. 4mm. 6 m (figura 1). În grupurile 1 și m există infinit de multe astfel de direcții, iar direcția P0 nu este predeterminată. În restul grupurilor, acestea sunt axele simetriei.
Fig. 1. Posibile grupuri de simetrie de puncte ale piro-electricilor, sunt arătate axele de simetrie a cristalelor.
Polarizarea spontană se manifestă ca o sarcină legată în acele locuri ale cristalului, unde Po depinde de coordonatele:
- densitatea în vrac a unei încărcări legată. Astfel. pe suprafața unei suprafețe există o sarcină de suprafață legată a cărei densitate este egală cu componenta normală P0. În acest caz, un curent electric apare în interiorul cristalului și în afara acestuia. câmpul E0. Într-o placă infinită tăiată perpendicular pe P0.
În general, câmpul E0 și energia totală II depind de forma sa.
Într-un câmp real, câmpul E0 din interior și din exterior este egal cu 0 (deși P0 este conservat). Motivul - conductivitatea electrică - sarcini libere, care se deplasează pe suprafețe, neutralizează încărcarea asociată. Prin urmare, pyroelectric. proprietățile pot fi observate numai cu o schimbare suficient de rapidă a temperaturii cristalului.
Proprietățile ecuației AP care conectează variația lui P0 și T. au forma: unde este piroelectrică. coeficienți. care pot fi considerate componente ale unui vector
. P. În toate clasele de simetrie cu o singură excepție, și astfel vectorul este direcționat de-a lungul axei de simetrie a paradisului este una dintre axele de coordonate (z), adică, în grupul T vectorul se află în planul de simetrie: .. În grupul cu privire la 1 napravlenieproizvolno
axele de coordonate:
Piroelektrich. coeficienți. depinde de mecanic. condiții: eșantionul poate fi "liber" (stresul mecanic este absent) sau "fixat" atunci când este mecanic extern. tensiunea oferă o lipsă mecanică. deformații uij. care apar pe fondul expansiunii termice la schimbarea T. În același timp. schimbarea în T, E termodinamică. Potențialul φ al unui cristal (la un efort mecanic constant) se modifică cu o valoare
Astfel. piroelektrich. coeficienți. determină schimbarea entropiei cristalului sub acțiunea unui curent electric. câmp:
Aceasta înseamnă că tempo-pa lui P. este în starea adiabatică. izolație, atunci când se aplică electric. câmpul de-a lungul axei polare se va schimba cu o sumă
unde C este capacitatea de căldură a cristalului la valori mecanice constante. tensiune și electricitate. câmp (efect electrocaloric). Schimbarea T pentru subsistemele liniare cu C = 10-4 Cl / m 2 x K și C = 10 3 J / kg x K în câmpurile E
10 6 V / m are ordinul de 10 -4 K, în ferroelectrice 1-10 -2 K.
Toate AP sunt piezoelectrice. Prin urmare, o schimbare a temperaturii unui cristal "liber", care duce la expansiunea termică sau contracția (deformarea), va cauza un curent electric suplimentar. polarizare:
Aici eijk este un tensor de piezoelectricitate de gradul al treilea. modulele, ajk sunt componentele coeficientului de tensor. expansiunea termică și polarizarea totală
Aici - coeficientul. "primar", - "secundar" piroelectric. efect. Pentru decomp. cristalează raportul dintre și variază în limite largi: efectul secundar poate să depășească valoarea primară, să aibă un semn diferit etc. "Pietroelectric" terțiar ". efectul este asociat cu o schimbare în P într-o piezoelectrică încălzită neomogen.
Teoria microscopică permite să se identifice natura piroelectricității. efectul și descrierea proprietăților plăcii se bazează pe luarea în considerare a anarmonicii vibrațiilor zăbrelelor de cristal. Dependența de temperatură a piroelectricilor. coeficienți. În domeniul cu temperaturi scăzute, p este descris în mod satisfăcător de relația
Aici - caracteristic. temperaturile Debye și Einstein, D și efectele lui Debye și Einstein, sunt coeficienți constanți. (vezi temperatura lui Debye, temperatura Einstein).
Metode experimentale. Pentru măsurătorile necesare pentru a determina cantitatea de sarcină care apar pe orientarea suprafeței cristalului și o anumită formă în schimbare plan paralel placă de tăiere T. Acesta este utilizat de obicei, perpendicular pe axa polară a cristalului. Suprafețele mari de probă sunt acoperite cu electrozi conductivi. Modificați cf. temperatura temperaturii cristalului printr-o valoare conduce la apariția unei încărcări legată pe electrozii (S este aria electrozilor) și diferența de potențial (C este capacitatea probei).
Pentru măsurarea încărcării, condensatorul K cu eșantionul este plasat într-un termostat (Figura 2), a cărui temperatură poate varia. Când apare piroelectricitatea. Potențialul de încărcare al punctului A variază, sarcina poate fi măsurată prin electrometrul E.
Fig. 2. Metoda statică pentru determinarea coeficientului piroelectric.
De obicei, un electrometru este folosit ca un indicator de zero și taxa determinată de semn opus, egal cu cel mai mare piroelectrică (compensare. Circuit format dintr-o baterie B, un potențiometru P și condensatorul C, comutatorul Pr, servește pentru a schimba semnul de încărcare a condensatorului). Încărcarea pe condensatorul Q este aleasă astfel încât potențialul punctului A să fie 0. În acest caz, Q = Qpiro. În cealaltă metodă se măsoară piroelectricitatea. curentul I care curge între plăcile condensatorului de-a lungul exteriorului. cu o schimbare continuă în T a eșantionului (Figura 3). Având în vedere rata de schimbare a tempo, dT / dt, valoarea este determinată pentru Ri Re:
Fig. 3. Măsurarea coeficientului piroelectric în modul "curent".
Materiale piroelectrice și aplicarea lor practică. Tipic AP sunt turmalina, Li2 SO4 x H2O P. Printre ocupă un loc special fero- electrica, într-o regiune de temperatură de fază ryh polar este limitată: odată cu creșterea polarizării spontane T scade și dispare la punctul de tranziție Tc. Lângă Tk
și poate ajunge la valori infinit de mari.
Pentru practic. obiectivele sunt importante în care valorile ridicate sunt reținute într-un interval suficient de mare T. Un număr de feroelectrice satisface această condiție; DOS. obstacolul în calea aplicării acestora este depolarizarea datorată descompunerii cristaline în domenii. Sunt folosite разл. modalități de păstrare a unei stări cu un singur domeniu în cristale: introducerea impurităților în cristalul în creștere; câmp; pentru cristalele cu Tc mare, răcire la trecerea prin Tc în electricitate. câmp. Când se introduc impurități și se produce iradierea în feroelectrice, int. Domeniile care ating 10 6 V / m. Pe lângă stabilizarea stării cu un singur domeniu, aceste câmpuri conduc la o "estompare" a tranziției de fază, iar regiunea T. unde se înregistrează valori anormal de mari, se extinde. Piroelektrnch. proprietățile posedă ceramică. feroelectrice, electrice polarizate. câmp și, de asemenea, unii polimeri (tabel).
Proprietățile pirolectrice ale unor materiale la T = 300 K
10 -8 Cl x cm-2 K-1
AP este folosit ca termoelectric. convertoare. Baza este Ni-electrică. placă metalică. electrozii aplicați la tăiere, perpendicular pe axa polară. La intrare - un curent de energie radiantă, schimbând tempo-ul lui Py la ieșire - electric. încărcare sau tensiune. Avantajele sistemului piroelectric. convertoare - o gamă largă de frecvențe ale emisiilor detectate. sensibilitate ridicată, viteză, capacitate de lucru la T
300 K. Pyroelectric. Receptoarele sunt folosite ca detectori IR cu putere redusă; detectori ai formei și puterii impulsurilor de radiație scurte (10 -5 - 10-11 s); senzație. senzori în spectrometrie și radiometrie; pirometre.
Fig. 4. Diagrama vidonului piroelectric: 1 - țintă piroelectrică; 2 - fascicul de electroni; 3 - catod; 4 - anod de accelerare, 5 - fereastră; 6 - grila de colectare; 7 - bobine de focalizare și de deviere.
Este deosebit de promițătoare utilizarea lor pentru a indica distribuția spațială a radiației, inclusiv în sistemele de infraroșu. Creat piroelectric. Vidicon - tuburi de televiziune cu transmitere termică cu piroelectrică. țintă (figura 4). Cu ext. lateral prin fereastra 5 pe țintă 1 sub forma unei pirolectrice subțiri (10-100 μm). placă (cu diametrul 1820 mm) imaginea proiectată a obiectului; ext. partea frontală se află în fața fasciculului de electroni de citire 2. Imaginea obiectului creează o temperatură și o sarcină corespunzătoare și o potențială ușurare a țintei. Această ușurare modulează curentul care circulă în circuitul de rezistență la sarcină atunci când se scanează țintă cu un fascicul de electroni. Curentul generat de curent controlează luminozitatea fasciculului care reproduce imaginea de pe monitorul televizorului.
REFERINȚE Nai J., Proprietăți fizice ale cristalelor, Per. cu engleza. 2 ed. M. 1967; Zheludev IS Fizica dielectricelor cristaline. M. 1968; Novik VK Gavrilova, ND Feldman, NB Convertoare piroelectrice, M. 1979; Kremenchugsky L. S. Roitsyna O.V. Devices of Receiving Pyroelectric, K. 1982.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: