Pyroelektřina – objev, fyzikální podstata a aplikace

Historie objevů

Legenda praví, že první záznamy o pyroelektřice pořídil starověký řecký filozof a botanik Theophrastus v roce 314 před naším letopočtem. Podle těchto záznamů si Theophrastus jednou všiml, že krystaly minerálu turmalínu začaly při zahřívání přitahovat kousky popela a slámy. Mnohem později, v roce 1707, fenomén pyroelektřiny znovu objevil německý rytec Johann Schmidt.

Existuje další verze, podle které je objev pyroelektřiny připisován slavnému starořeckému filozofovi a cestovateli Thalesovi z Milétu, který podle této verze učinil objev na počátku 6. století před naším letopočtem. N. E. Cestou do východních zemí si Thales dělal poznámky o minerálech a astronomii.

Zkoumáním schopnosti třeného jantaru přitahovat stébla a směrem dolů byl schopen vědecky interpretovat fenomén elektrifikace třením. Platón později popsal tento příběh v dialogu Timaeus.Po Platónovi již v 10. století popsal podobné vlastnosti krystalů granátu perský filozof Al-Biruni ve svém díle „Mineralogie“.

Souvislost mezi pyroelektřinou krystalů a jinými podobnými elektrickými jevy by byla prokázána a rozvinuta v roce 1757, kdy Franz Epinus a Johann Wilke začali studovat polarizaci určitých materiálů při jejich vzájemném tření.

Německý fyzik August Kundt po 127 letech předvede názorný experiment, při kterém zahřeje krystal turmalínu a přelije ho přes síto se směsí prášku červeného olova a síry. Síra bude nabitá kladně a červené olovo záporně nabité, což povede k tomu, že červeno-oranžové červené olovo zbarví jednu stranu krystalu turmalínu a druhou stranu pokryje jasně žluto-šedou barvou. August Kund poté turmalín ochladil, "polarita" krystalu se změnila a barvy si vyměnily místa. Publikum bylo potěšeno.

Podstatou jevu je, že při změně teploty krystalu turmalínu pouze o 1 stupeň se v krystalu objeví elektrické pole o síle asi 400 voltů na centimetr. Všimněte si, že turmalín, stejně jako všechna pyroelektrika, je obojí piezoelektrický (mimochodem, ne všechna piezoelektrika jsou pyroelektrika).

Fyzické základy

Fyzikálně je fenomén pyroelektřiny definován jako výskyt elektrického pole v krystalech v důsledku změny jejich teploty. Změna teploty může být způsobena přímým ohřevem, třením nebo sáláním. Mezi tyto krystaly patří dielektrika se spontánní (spontánní) polarizací za nepřítomnosti vnějších vlivů.

Spontánní polarizace obvykle není zaznamenána, protože elektrické pole, které vytváří, je kompenzováno elektrickým polem volných nábojů, které jsou na krystal aplikovány okolním vzduchem a objemem krystalu. Při změně teploty krystalu se mění i velikost jeho spontánní polarizace, což vede ke vzniku elektrického pole, které je pozorováno dříve, než dojde ke kompenzaci volnými náboji.

Změna spontánní polarizace pyroelektrik může být iniciována nejen změnou jejich teploty, ale i mechanickou deformací. Proto jsou všechna pyroelektrika také piezoelektrika, ale ne všechna piezoelektrika jsou pyroelektrika.Spontánní polarizace, tedy nesoulad těžišť záporného a kladného náboje uvnitř krystalu, se vysvětluje nízkou přirozenou symetrií krystalu.

Aplikace pyroelektřiny

Dnes se pyroelektrika používají jako snímací zařízení pro různé účely, jako součást přijímačů a detektorů záření, teploměrů atd. Všechna tato zařízení využívají klíčovou vlastnost pyroelektrik – jakýkoli typ záření působící na vzorek způsobuje změnu teploty vzorku a odpovídající změnu jeho polarizace. Pokud je v tomto případě povrch vzorku pokryt vodivými elektrodami a tyto elektrody jsou připojeny vodiči k měřicímu obvodu, pak bude tímto obvodem protékat elektrický proud.

A pokud na vstupu pyroelektrického konvertoru proudí jakýkoli druh záření, který způsobuje kolísání teploty pyroelektrika (periodicita se získá např. umělou modulací intenzity záření), pak je elektrický proud získaný na výstupu, který se také mění s určitou frekvencí.

Mezi výhody detektorů pyroelektrického záření patří: nekonečně široký rozsah frekvencí detekovaného záření, vysoká citlivost, vysoká rychlost, tepelná stabilita. Zvláště slibné je použití pyroelektrických přijímačů v infračervené oblasti.

Ve skutečnosti řeší problém detekce nízkovýkonových toků tepelné energie, měření výkonu a tvaru krátkých laserových pulsů a vysoce citlivé bezkontaktní a kontaktní měření teploty (s mikrostupňovou přesností).

Dnes se vážně diskutuje o možnosti použití pyroelektrik k přímé přeměně tepelné energie na elektrickou energii: střídavý tok zářivé energie generuje střídavý proud ve vnějším obvodu pyroelektrického prvku. A přestože účinnost takového zařízení je nižší než u stávajících metod přeměny energie, pro některé speciální aplikace je tato metoda přeměny docela přijatelná.

Nadějná je zejména již používaná možnost využití pyroelektrického efektu k vizualizaci prostorového rozložení záření v infračervených zobrazovacích systémech (noční vidění apod.). Vytvořili pyroelektrické vidikony — televizní trubice přenášející teplo s pyroelektrickým terčem.

Obraz teplého předmětu se promítá na terč a na něj navazuje odpovídající reliéf náboje, který je čten skenovacím elektronovým paprskem. Elektrické napětí vytvořené proudem elektronového paprsku řídí jas paprsku, který maluje obraz předmětu na obrazovce.