Pyroelektrik - Pyroelectricity

Termoelektrik ile karıştırılmaması gereken , farklı bir mekanizma ile farklı bir termal etki.
Pyroelektrik sensör

Pyroelektrik (iki Yunanca kelime pyr ve elektrikten gelir ), doğal olarak elektriksel olarak polarize olan ve sonuç olarak büyük elektrik alanları içeren belirli kristallerin bir özelliğidir. Pyroelektrik, belirli malzemelerin ısıtıldıklarında veya soğutulduklarında geçici bir voltaj üretme yeteneği olarak tanımlanabilir . Sıcaklıktaki değişiklik, kristal yapı içindeki atomların konumlarını hafifçe değiştirir , öyle ki malzemenin polarizasyonu değişir. Bu polarizasyon değişikliği, kristal boyunca bir gerilime neden olur. Sıcaklık yeni değerinde sabit kalırsa, piroelektrik voltaj, kaçak akım nedeniyle kademeli olarak kaybolur . Sızıntı, kristalde hareket eden elektronlardan, havada hareket eden iyonlardan veya kristale takılı bir voltmetreden sızan akımdan kaynaklanabilir .

Açıklama

Piroelektriklik, her bir köşenin kristaldeki enerji durumlarını temsil ettiği bir üçgenin bir kenarı olarak görselleştirilebilir: kinetik , elektriksel ve termal enerjiler. Elektriksel ve termal köşeler arasındaki taraf, piroelektrik etkiyi temsil eder ve kinetik enerji üretmez . Kinetik ve elektrik köşeleri arasındaki taraf, piezoelektrik etkiyi temsil eder ve ısı üretmez .

Minerallerdeki piroelektrik yük , asimetrik kristallerin zıt yüzlerinde gelişir. Yükün yayılma eğiliminin yönü genellikle bir piroelektrik malzeme boyunca sabittir, ancak bazı malzemelerde bu yön yakındaki bir elektrik alanıyla değiştirilebilir. Bu malzemelerin ferroelektriklik sergilediği söyleniyor . Bilinen tüm piroelektrik malzemeler aynı zamanda piezoelektriktir . Piroelektrik olmalarına rağmen, bor alüminyum nitrür (BAlN) ve bor galyum nitrür (BGaN) gibi yeni malzemeler, belirli bileşimlerde c ekseni boyunca gerilim için sıfır piezoelektrik tepkiye sahiptir, iki özellik yakından ilişkilidir. Bununla birlikte, bazı piezoelektrik malzemelerin piroelektrikliğe izin vermeyen bir kristal simetrisine sahip olduğuna dikkat edin.

Piroelektrik malzemeler çoğunlukla sert ve kristallerdir, ancak elektretler kullanılarak yumuşak piroelektriklik elde edilebilir .

Piroelektriklik, sıcaklıktaki bir değişiklikle orantılı net polarizasyondaki (bir vektör) değişiklik olarak ölçülür. Sabit gerilmede ölçülen toplam piroelektrik katsayısı, sabit gerilimdeki piroelektrik katsayılarının (birincil piroelektrik etki) ve ısıl genleşmenin (ikincil piroelektrik etki) piezoelektrik katkısının toplamıdır. Normal koşullar altında, polar malzemeler bile net bir dipol momenti göstermez. Sonuç olarak, çubuk mıknatısların elektrik çift kutup eşdeğerleri yoktur, çünkü içsel dipol momenti, iç iletkenlik veya ortam atmosferinden yüzeyde biriken "serbest" elektrik yükü ile nötralize edilir. Kutup kristalleri, yalnızca, dengeleyici yüzey yüküyle dengeyi anlık olarak bozan bir şekilde bozulduklarında doğalarını ortaya çıkarırlar.

Kendiliğinden polarizasyon sıcaklığa bağlıdır, bu nedenle iyi bir pertürbasyon probu, yüzeylere ve yüzeylerden bir yük akışına neden olan sıcaklıktaki bir değişikliktir. Bu piroelektrik etkidir. Tüm polar kristaller piroelektriktir, bu nedenle 10 polar kristal sınıfına bazen piroelektrik sınıfları adı verilir. Pyroelektrik malzemeler kızılötesi ve milimetre dalga boyu radyasyon dedektörleri olarak kullanılabilir.

Bir elektret kalıcı mıknatısın elektrik eşdeğerdir.

Matematiksel açıklama

Piroelektrik katsayısı, kendiliğinden polarizasyon vektörünün sıcaklıkla değişimi olarak tanımlanabilir:

burada p i (Cm −2 K −1 ), piroelektrik katsayısı için vektördür.

Tarih

Piroelektrik etkiye ilk atıf , lyngourion'un , turmalinin ısıtıldığında talaş veya saman parçalarını çekebileceğini belirten Theophrastus'un (yaklaşık MÖ 314) yazılarında bulunur . Turmalinin özellikleri, 1707 yılında , taşın soğuk külleri değil, sadece sıcak külleri çektiğini belirten Johann Georg Schmidt tarafından yeniden keşfedildi . 1717'de Louis Lemery , Schmidt'in yaptığı gibi, küçük iletken olmayan malzeme artıklarının önce turmaline çekildiğini, ancak daha sonra taşla temas ettiklerinde itildiklerini fark etti. 1747'de Linnaeus fenomeni ilk olarak elektrikle ilişkilendirdi (turmalin Lapidem Electricum , "elektrikli taş" adını verdi ), ancak bu 1756'ya kadar Franz Ulrich Theodor Aepinus tarafından kanıtlanmadı .

Piroelektrik araştırmaları 19. yüzyılda daha sofistike hale geldi. 1824'te Sir David Brewster , bugün sahip olduğu adı verdi. Hem 1878'de William Thomson hem de 1897'de Woldemar Voigt , piroelektrikliğin arkasındaki süreçler için bir teori geliştirmeye yardımcı oldu. Pierre Curie ve kardeşi Jacques Curie , 1880'lerde piroelektrik üzerine çalıştı ve piezoelektrikliğin arkasındaki bazı mekanizmaları keşfetmelerine yol açtı.

Kristal sınıfları

Tüm kristal yapılar , kristal yapıyı değişmeden bırakan ( nokta grupları ) sahip oldukları dönme eksenlerinin ve yansıma düzlemlerinin sayısına bağlı olarak otuz iki kristal sınıfından birine aittir . Otuz iki kristal sınıfından yirmi biri, merkezsizdir (bir simetri merkezine sahip değildir ). Bu yirmi bir, yirmisi doğrudan piezoelektrik gösterir , geri kalanı kübik sınıf 432'dir. Bu yirmi piezoelektrik sınıftan on tanesi kutupsaldır, yani birim hücrelerinde bir dipole sahip olan kendiliğinden bir polarizasyona sahiptirler ve piroelektriklik sergilerler. Bu dipol, bir elektrik alanı uygulamasıyla tersine çevrilebilirse, malzemenin ferroelektrik olduğu söylenir . Herhangi bir dielektrik malzeme, bir elektrik alanı uygulandığında bir dielektrik polarizasyon (elektrostatik) geliştirir , ancak bir alanın yokluğunda bile böyle bir doğal yük ayrımına sahip olan bir maddeye polar malzeme denir. Bir malzemenin polar olup olmadığı yalnızca kristal yapısı ile belirlenir. 32 nokta gruplarından sadece 10 tanesi kutupsaldır. Tüm polar kristaller piroelektriktir, bu nedenle on polar kristal sınıfına bazen piroelektrik sınıfları adı verilir.

Piezoelektrik kristal sınıfları: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

Pyroelektrik: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm

İlgili etkiler

Piroelektrik ile yakından ilişkili iki etki, ferroelektrik ve piezoelektriktir . Normalde malzemeler, makroskopik düzeyde elektriksel olarak neredeyse nötrdür. Bununla birlikte, malzemeyi oluşturan pozitif ve negatif yüklerin mutlaka simetrik bir şekilde dağıtılması gerekmez. Temel hücrenin tüm elemanları için yük çarpı mesafesinin toplamı sıfıra eşit değilse, hücre bir elektrik dipol momentine (vektör miktarı) sahip olacaktır. Birim hacim başına dipol momenti, dielektrik polarizasyon olarak tanımlanır. Bu dipol momenti, uygulanan sıcaklık değişikliklerinin, uygulanan elektrik alanının veya uygulanan basıncın etkisiyle değişirse, malzeme sırasıyla piroelektrik, ferroelektrik veya piezoelektriktir.

Ferroelektrik etki, elektrik alanı tersine çevrilirse polarizasyonun tersine çevrilebileceği şekilde harici olarak uygulanan bir elektrik alanının yokluğunda bir elektrik polarizasyonuna sahip olan malzemeler tarafından sergilenir. Tüm ferroelektrik malzemeler kendiliğinden bir polarizasyon sergilediğinden, tüm ferroelektrik malzemeler de piroelektriktir (ancak tüm piroelektrik malzemeler ferroelektrik değildir).

Piezoelektrik etki, basınç uygulandığında malzeme boyunca bir elektrik voltajının göründüğü kristaller (kuvars veya seramik gibi) tarafından sergilenir. Piroelektrik etkiye benzer şekilde, fenomen, iyonların bir eksen boyunca diğerlerinden daha kolay hareket etmesini sağlayan kristallerin asimetrik yapısından kaynaklanmaktadır. Basınç uygulandığında, kristalin her bir tarafı zıt bir yük alır ve kristal boyunca voltaj düşüşüne neden olur.

Piroelektriklik termoelektriklik ile karıştırılmamalıdır : Tipik bir piroelektrik gösterisinde, tüm kristal bir sıcaklıktan diğerine değiştirilir ve sonuç, kristal boyunca geçici bir voltajdır. Tipik bir termoelektrik gösterisinde, cihazın bir kısmı bir sıcaklıkta ve diğer kısmı farklı bir sıcaklıkta tutulur ve sonuç , bir sıcaklık farkı olduğu sürece cihaz boyunca kalıcı bir voltajdır. Her iki etki elektrik potansiyeli, sıcaklık değişimi, ama üzerinden piroelektrik etki dönüştürür sıcaklık değişimi dönüştürmek zaman , elektrik potansiyeli ile birlikte termoelektrik etki dönüştürür sıcaklık değişimi sırasında konumda elektriksel potansiyel içine.

Pyroelektrik malzemeler

Yapay piroelektrik malzemeler tasarlanmış olsa da, etki ilk olarak turmalin gibi minerallerde keşfedildi . Piroelektrik etki ayrıca kemik ve tendonda da mevcuttur .

En önemli örnek , bir yarı iletken olan galyum nitrürdür . Bu malzemedeki büyük elektrik alanları, ışık yayan diyotlar (LED'ler) için zararlıdır, ancak güç transistörlerinin üretimi için kullanışlıdır.

Galyum nitrür ( Ga N ), sezyum nitrat ( Cs N O 3 ), polivinil florürler , fenilpiridin türevleri ve kobalt ftalosiyanin kullanılarak, genellikle ince bir film biçiminde yapay piroelektrik malzemeler yaratmada ilerleme kaydedilmiştir . Lityum tantalat ( Li Ta O 3 ), küçük ölçekli nükleer füzyon (" piroelektrik füzyon ") oluşturmak için kullanılan hem piezoelektrik hem de piroelektrik özellikler sergileyen bir kristaldir . Son zamanlarda, CMOS üretiminde standart bir malzeme olan katkılı hafniyum oksitte ( Hf O 2 ) piroelektrik ve piezoelektrik özellikler keşfedilmiştir .

Başvurular

Isı sensörleri

Sıcaklıktaki çok küçük değişiklikler bir piroelektrik potansiyeli oluşturabilir. Pasif kızılötesi sensörler genellikle piroelektrik malzemeler etrafında tasarlanır, çünkü bir insan veya hayvanın birkaç metre uzaklıktan ısısı bir voltaj oluşturmak için yeterlidir.

Güç üretimi

Bir piroelektrik, kullanılabilir elektrik gücü üretmek için tekrar tekrar ısıtılabilir ve soğutulabilir (bir ısı motoruna benzer şekilde ). Bir grup, bir Ericsson döngüsündeki bir piroelektriğin Carnot verimliliğinin % 50'sine ulaşabileceğini hesaplarken, farklı bir çalışma, teoride Carnot verimliliğinin% 84-92'sine ulaşabilen bir malzeme buldu (bu verimlilik değerleri, göz ardı ederek piroelektriğin kendisi içindir. substratın ısıtılması ve soğutulmasından kaynaklanan kayıplar , diğer ısı transferi kayıpları ve sistemin başka yerlerindeki diğer tüm kayıplar). Elektrik üretmek için piroelektrik jeneratörlerin olası avantajları (geleneksel ısı motoru artı elektrik jeneratörüne kıyasla ) şunları içerir: potansiyel olarak daha düşük çalışma sıcaklıkları , daha az hacimli ekipman ve daha az hareketli parça. Böyle bir cihaz için birkaç patent başvurusu yapılmış olmasına rağmen, bu tür jeneratörler ticarileştirmeye yakın bir yerde görünmemektedir.

Nükleer füzyon

Ana madde: Pyroelektrik füzyon

Pyroelektrik malzemeler, döteryum iyonlarını nükleer füzyon sürecinde yönlendirmek için gerekli olan büyük elektrik alanlarını oluşturmak için kullanılmıştır . Bu, piroelektrik füzyon olarak bilinir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar