Pyroelektrina – objav, fyzikálny základ a aplikácie

História objavov

Legenda hovorí, že prvé záznamy o pyroelektrine urobil staroveký grécky filozof a botanik Theophrastus v roku 314 pred Kristom. Podľa týchto záznamov si Theophrastus raz všimol, že kryštály minerálu turmalínu začali pri zahriatí priťahovať kúsky popola a slamy. Oveľa neskôr, v roku 1707, fenomén pyroelektriky znovu objavil nemecký rytec Johann Schmidt.

Existuje aj iná verzia, podľa ktorej sa objav pyroelektriky pripisuje slávnemu starogréckemu filozofovi a cestovateľovi Thalesovi z Milétu, ktorý podľa tejto verzie objavil objav na začiatku 6. storočia pred Kristom. N. E. Cestou do východných krajín si Thales robil poznámky o mineráloch a astronómii.

Skúmaním schopnosti brúseného jantáru priťahovať slamky a smerom nadol bol schopný vedecky interpretovať fenomén elektrifikácie trením. Platón neskôr opísal tento príbeh v dialógu Timaeus.Po Platónovi už v 10. storočí opísal podobné vlastnosti kryštálov granátu perzský filozof Al-Biruni vo svojom diele „Mineralógia“.

Súvislosť medzi pyroelektrikou kryštálov a inými podobnými elektrickými javmi by sa dokázala a vyvinula v roku 1757, keď Franz Epinus a Johann Wilke začali študovať polarizáciu určitých materiálov pri ich trení o seba.

Nemecký fyzik August Kundt po 127 rokoch predvedie názorný experiment, v ktorom zahreje kryštál turmalínu a preleje ho cez sito so zmesou prášku červeného olova a síry. Síra bude nabitá kladne a červené olovo záporne, čo vedie k tomu, že červeno-oranžové červené olovo sfarbí jednu stranu kryštálu turmalínu a druhú stranu pokryje jasno žlto-sivou farbou. August Kund potom ochladil turmalín, zmenila sa „polarita“ kryštálu a farby si vymenili miesta. Publikum sa tešilo.

Podstatou javu je, že pri zmene teploty kryštálu turmalínu len o 1 stupeň sa v kryštáli objaví elektrické pole o sile asi 400 voltov na centimeter. Všimnite si, že turmalín, rovnako ako všetky pyroelektriká, je oboje piezoelektrický (mimochodom, nie všetky piezoelektriká sú pyroelektriká).

Fyzické základy

Fyzikálne je fenomén pyroelektriky definovaný ako objavenie sa elektrického poľa v kryštáloch v dôsledku zmeny ich teploty. Zmena teploty môže byť spôsobená priamym ohrevom, trením alebo žiarením. Medzi tieto kryštály patria dielektriká so spontánnou (spontánnou) polarizáciou v neprítomnosti vonkajších vplyvov.

Spontánna polarizácia sa zvyčajne nezaznamená, pretože elektrické pole, ktoré vytvára, je kompenzované elektrickým poľom voľných nábojov, ktoré sú aplikované na kryštál okolitým vzduchom a objemom kryštálu. Pri zmene teploty kryštálu sa mení aj veľkosť jeho spontánnej polarizácie, čo vedie k vzniku elektrického poľa, ktoré je pozorované skôr, než dôjde ku kompenzácii voľnými nábojmi.

Zmena spontánnej polarizácie pyroelektrík môže byť iniciovaná nielen zmenou ich teploty, ale aj mechanickou deformáciou. Preto sú všetky pyroelektriká tiež piezoelektrikami, ale nie všetky piezoelektriká sú pyroelektrikami.Spontánna polarizácia, teda nesúlad ťažísk záporného a kladného náboja vo vnútri kryštálu, sa vysvetľuje nízkou prirodzenou symetriou kryštálu.

Aplikácie pyroelektriky

Dnes sa pyroelektriká používajú ako snímacie zariadenia na rôzne účely, ako súčasť prijímačov a detektorov žiarenia, teplomerov atď. Všetky tieto zariadenia využívajú kľúčovú vlastnosť pyroelektrík – akýkoľvek typ žiarenia pôsobiaceho na vzorku spôsobuje zmenu teploty vzorky a zodpovedajúcu zmenu jej polarizácie. Ak je v tomto prípade povrch vzorky pokrytý vodivými elektródami a tieto elektródy sú spojené vodičmi s meracím obvodom, potom bude týmto obvodom pretekať elektrický prúd.

A ak je na vstupe pyroelektrika prúdenie akéhokoľvek druhu žiarenia, ktoré spôsobuje kolísanie teploty pyroelektrika (periodicita sa získava napr. umelou moduláciou intenzity žiarenia), potom je elektrický prúd získaný na výstupe, ktorý sa tiež mení s určitou frekvenciou .

Medzi výhody detektorov pyroelektrického žiarenia patrí: nekonečne široký rozsah frekvencií detekovaného žiarenia, vysoká citlivosť, vysoká rýchlosť, tepelná stabilita. Obzvlášť sľubné je použitie pyroelektrických prijímačov v infračervenej oblasti.

V skutočnosti riešia problém detekcie tokov tepelnej energie s nízkym výkonom, merania výkonu a tvaru krátkych laserových impulzov a vysoko citlivé bezkontaktné a kontaktné meranie teploty (s presnosťou na mikrostupne).

Dnes sa vážne diskutuje o možnosti použitia pyroelektrík na priamu premenu tepelnej energie na elektrickú energiu: striedavý tok žiarivej energie generuje striedavý prúd vo vonkajšom obvode pyroelektrického prvku. A hoci je účinnosť takéhoto zariadenia nižšia ako existujúce metódy premeny energie, pre niektoré špeciálne aplikácie je táto metóda konverzie celkom prijateľná.

Sľubná je najmä už používaná možnosť využitia pyroelektrického efektu na vizualizáciu priestorového rozloženia žiarenia v infračervených zobrazovacích systémoch (nočné videnie a pod.). Vytvorené pyroelektrické vidikony — televízne trubice prenášajúce teplo s pyroelektrickým terčom.

Obraz teplého predmetu sa premieta na terč, pričom sa na ňom buduje zodpovedajúci reliéf náboja, ktorý je snímaný skenovacím elektrónovým lúčom. Elektrické napätie vytvorené prúdom elektrónového lúča riadi jas lúča, ktorý vykresľuje obraz objektu na obrazovke.