Pyroelectricity—Pagtuklas, Pisikal na Batayan at Mga Aplikasyon

Kasaysayan ng mga pagtuklas

Ayon sa alamat, ang mga unang tala ng pyroelectricity ay ginawa ng sinaunang pilosopo at botanista ng Greek na si Theophrastus noong 314 BC. Ayon sa mga rekord na ito, minsang napansin ni Theophrastus na ang mga kristal ng mineral na tourmaline, kapag pinainit, ay nagsimulang makaakit ng mga piraso ng abo at dayami. Nang maglaon, noong 1707, ang kababalaghan ng pyroelectricity ay muling natuklasan ng German engraver na si Johann Schmidt.

Mayroong isa pang bersyon, ayon sa kung saan ang pagtuklas ng pyroelectricity ay maiugnay sa sikat na sinaunang pilosopo ng Greek at manlalakbay na si Thales ng Miletus, na, ayon sa bersyon na ito, ay gumawa ng pagtuklas sa simula ng ika-6 na siglo BC. N. E. Naglalakbay sa silangang mga bansa, gumawa si Thales ng mga tala sa mga mineral at astronomiya.

Sa pamamagitan ng pagsisiyasat sa kakayahan ng rubbed amber na makaakit ng mga straw at pababa, nagawa niyang siyentipikong bigyang-kahulugan ang phenomenon ng electrification sa pamamagitan ng friction. Sa kalaunan ay ilalarawan ni Plato ang kuwentong ito sa diyalogo ng Timaeus.Pagkatapos ni Plato, nasa ika-10 siglo na, ang pilosopo ng Persia na si Al-Biruni sa kanyang gawaing "Mineralogy" ay inilarawan ang mga katulad na katangian ng mga kristal na garnet.

Ang koneksyon sa pagitan ng pyroelectricity ng mga kristal at iba pang katulad na electrical phenomena ay mapapatunayan at mabubuo noong 1757, nang sinimulan nina Franz Epinus at Johann Wilke na pag-aralan ang polariseysyon ng ilang mga materyales habang sila ay kuskusin laban sa isa't isa.

Pagkatapos ng 127 taon, ang German physicist na si August Kundt ay magpapakita ng matingkad na eksperimento kung saan papainitin niya ang isang tourmaline crystal at ibubuhos ito sa pamamagitan ng salaan na may pinaghalong pulang tingga at sulfur na pulbos. Ang sulfur ay positibong sisingilin at ang pulang lead ay negatibong sisingilin, na magreresulta sa pulang-orange na pulang lead na pangkulay sa isang bahagi ng tourmaline crystal at ang kabilang panig ay natatakpan ng maliwanag na dilaw-kulay-abo. Pagkatapos ay pinalamig ni August Kund ang tourmaline, ang "polarity" ng kristal ay nagbago at ang mga kulay ay lumipat ng mga lugar. Natuwa ang mga manonood.

Ang kakanyahan ng kababalaghan ay kapag ang temperatura ng tourmaline crystal ay nagbabago lamang ng 1 degree, isang electric field na halos 400 volts bawat sentimetro ay lilitaw sa kristal. Tandaan na ang tourmaline, tulad ng lahat ng pyroelectrics, ay pareho piezoelectric (sa pamamagitan ng paraan, hindi lahat ng piezoelectrics ay pyroelectrics).

Pisikal na pundasyon

Sa pisikal, ang kababalaghan ng pyroelectricity ay tinukoy bilang ang hitsura ng isang electric field sa mga kristal dahil sa isang pagbabago sa kanilang temperatura. Ang pagbabago sa temperatura ay maaaring sanhi ng direktang pag-init, friction o radiation. Kasama sa mga kristal na ito ang mga dielectric na may kusang (kusang) polariseysyon sa kawalan ng mga panlabas na impluwensya.

Ang kusang polarisasyon ay karaniwang hindi napapansin dahil ang electric field na nalilikha nito ay na-offset ng electric field ng mga libreng singil na inilalapat sa kristal ng nakapaligid na hangin at ng bulk ng kristal. Kapag nagbabago ang temperatura ng kristal, nagbabago rin ang laki ng kusang polariseysyon nito, na humahantong sa paglitaw ng isang electric field, na sinusunod bago mangyari ang kabayaran na may mga libreng singil.

Ang isang pagbabago sa kusang polariseysyon ng pyroelectrics ay maaaring simulan hindi lamang sa pamamagitan ng pagbabago sa kanilang temperatura, kundi pati na rin sa mekanikal na pagpapapangit. Iyon ang dahilan kung bakit ang lahat ng pyroelectrics ay piezoelectrics din, ngunit hindi lahat ng piezoelectrics ay pyroelectrics. Ang kusang polarisasyon, iyon ay, ang hindi pagkakatugma ng mga sentro ng grabidad ng mga negatibo at positibong singil sa loob ng kristal, ay ipinaliwanag ng mababang natural na simetrya ng kristal.

Mga aplikasyon ng pyroelectricity

Ngayon, ang mga pyroelectric ay ginagamit bilang mga sensing device para sa iba't ibang layunin, bilang bahagi ng mga radiation receiver at detector, thermometer, atbp. Ang lahat ng mga device na ito ay nagsasamantala sa isang pangunahing katangian ng pyroelectrics—anumang uri ng radiation na kumikilos sa sample ay nagdudulot ng pagbabago sa temperatura ng sample at isang kaukulang pagbabago sa polarization nito. Kung sa kasong ito ang ibabaw ng sample ay natatakpan ng conductive electrodes at ang mga electrodes na ito ay konektado sa pamamagitan ng mga wire sa pagsukat ng circuit, pagkatapos ay isang electric current ang dadaloy sa circuit na ito.

At kung mayroong daloy ng anumang uri ng radiation sa input ng isang pyroelectric converter, na nagiging sanhi ng pagbabagu-bago sa temperatura ng pyroelectric (ang periodicity ay nakuha, halimbawa, sa pamamagitan ng artipisyal na modulasyon ng intensity ng radiation), kung gayon ang isang electric current ay nakuha sa output, na nagbabago rin sa isang tiyak na dalas .

Ang mga bentahe ng pyroelectric radiation detectors ay kinabibilangan ng: isang walang katapusang malawak na hanay ng mga frequency ng natukoy na radiation, mataas na sensitivity, mataas na bilis, thermal stability. Ang paggamit ng mga pyroelectric receiver sa infrared na rehiyon ay partikular na maaasahan.

Talagang nilulutas nila ang problema sa pag-detect ng mga low-power na daloy ng thermal energy, pagsukat sa kapangyarihan at hugis ng mga maikling laser pulse, at napakasensitibong pagsukat ng temperatura sa hindi pakikipag-ugnayan at contact (na may katumpakan ng microdegree).

Ngayon, ang posibilidad ng paggamit ng pyroelectrics upang direktang i-convert ang thermal energy sa electrical energy ay seryosong tinalakay: ang isang alternating flow ng radiant energy ay bumubuo ng alternating current sa external circuit ng isang pyroelectric element. At kahit na ang kahusayan ng naturang aparato ay mas mababa kaysa sa umiiral na mga pamamaraan ng conversion ng enerhiya, para pa rin sa ilang mga espesyal na aplikasyon ang paraan ng conversion na ito ay lubos na katanggap-tanggap.

Ang nagamit na na posibilidad ng paggamit ng pyroelectric effect upang mailarawan ang spatial distribution ng radiation sa infrared imaging system (night vision, atbp.) ay partikular na maaasahan. Lumikha ng pyroelectric vidicons — heat-transmitting television tubes na may pyroelectric target.

Ang imahe ng isang mainit-init na bagay ay inaasahang papunta sa isang target, na itinatayo sa ibabaw nito ang kaukulang lunas ng singil, na binabasa ng isang scanning electron beam. Kinokontrol ng electrical voltage na nilikha ng electron beam current ang liwanag ng beam na nagpinta sa imahe ng bagay sa screen.