Pyroelektricity-גילוי, בסיס פיזי ויישומים

היסטוריה של תגליות

האגדה מספרת שהתיעודים הראשונים של פירו-חשמל נעשו על ידי הפילוסוף והבוטנאי היווני הקדום תיאופרסטוס בשנת 314 לפני הספירה. על פי רישומים אלה, תיאופרסטוס הבחין פעם שגבישים של המינרל טורמלין, כאשר הם מחוממים, החלו למשוך חתיכות של אפר וקש. הרבה יותר מאוחר, ב-1707, התגלתה מחדש תופעת הפירואלקטריות על ידי החרט הגרמני יוהאן שמידט.

קיימת גרסה נוספת, לפיה גילוי הפירו-חשמליות מיוחס לפילוסוף והנוסע היווני הקדום המפורסם תאלס ממילטוס, אשר, לפי גרסה זו, גילה את התגלית בתחילת המאה ה-6 לפני הספירה. נ. ה. נסע לארצות המזרח, תאלס רשם הערות על מינרלים ואסטרונומיה.

על ידי חקירת יכולתו של ענבר משופשף למשוך קשיות ומטה, הוא הצליח לפרש באופן מדעי את תופעת החשמול על ידי חיכוך. אפלטון יתאר מאוחר יותר את הסיפור הזה בדיאלוג טימאוס.לאחר אפלטון, כבר במאה ה-10, תיאר הפילוסוף הפרסי אל-בירוני ביצירתו "מינרולוגיה" תכונות דומות של גבישי נופך.

הקשר בין הפירואלקטריות של גבישים ותופעות חשמליות דומות אחרות יוכח ופותח בשנת 1757, כאשר פרנץ אפינוס ויוהאן ווילקה החלו לחקור את הקיטוב של חומרים מסוימים כשהם מתחככים זה בזה.

לאחר 127 שנים, הפיזיקאי הגרמני אוגוסט קונדט יציג ניסוי חי שבו יחמם גביש טורמלין וישפוך אותו דרך מסננת עם תערובת של אבקות עופרת אדומה וגופרית. הגופרית תהיה טעינה חיובית והעופרת האדומה תהיה בעלת מטען שלילי, וכתוצאה מכך העופרת האדומה האדומה-כתומה תצבע את צד אחד של גביש הטורמלין ואת הצד השני מכוסה בצהוב-אפור בוהק. אוגוסט קונד קירר אז את הטורמלין, ה"קוטביות" של הגביש השתנתה והצבעים החליפו מקומות. הקהל היה מאושר.

מהות התופעה היא שכאשר הטמפרטורה של גביש הטורמלין משתנה במעלה אחת בלבד, מופיע בגביש שדה חשמלי של כ-400 וולט לסנטימטר. שימו לב שטורמלין, כמו כל פירואלקטרי, הוא גם וגם פיזואלקטרי (אגב, לא כל פיזואלקטריים הם פירואלקטריים).

יסודות פיזיים

מבחינה פיזית, תופעת הפירואלקטריות מוגדרת כהופעת שדה חשמלי בגבישים עקב שינוי בטמפרטורה שלהם. השינוי בטמפרטורה יכול להיגרם מחימום ישיר, חיכוך או קרינה. גבישים אלה כוללים דיאלקטריים עם קיטוב ספונטני (ספונטני) בהיעדר השפעות חיצוניות.

בדרך כלל לא מבחינים בקיטוב ספונטני מכיוון שהשדה החשמלי שהוא יוצר מקוזז על ידי השדה החשמלי של מטענים חופשיים המופעלים על הגביש על ידי האוויר שמסביב ועל ידי עיקר הגביש. כאשר הטמפרטורה של הגביש משתנה, משתנה גם גודל הקיטוב הספונטני שלו, מה שמוביל להופעת שדה חשמלי, הנצפה לפני שמתרחש פיצוי במטענים חופשיים.

שינוי בקיטוב הספונטני של פירואלקטריים יכול להתבצע לא רק על ידי שינוי בטמפרטורה שלהם, אלא גם על ידי דפורמציה מכנית. לכן כל הפיירואלקטריים הם גם פיזואלקטריים, אבל לא כל הפיאזואלקטריים הם פירואלקטריים.קיטוב ספונטני, כלומר חוסר ההתאמה של מרכזי הכובד של המטענים השליליים והחיוביים בתוך הגביש, מוסבר על ידי הסימטריה הטבעית הנמוכה של הגביש.

יישומים של פירואלקטריות

כיום משתמשים בפירואלקטריה כמכשירי חישה למטרות שונות, כחלק ממקלטי קרינה וגלאי קרינה, מדי חום וכו'. כל המכשירים הללו מנצלים תכונה מרכזית של פירואלקטריות - כל סוג של קרינה הפועלת על הדגימה גורמת לשינוי בטמפרטורה של הדגימה ולשינוי מקביל בקיטוב שלה. אם במקרה זה פני הדגימה מכוסים באלקטרודות מוליכות ואלקטרודות אלו מחוברות באמצעות חוטים למעגל המדידה, אזי זרם חשמלי יזרום במעגל זה.

ואם ישנה זרימה של קרינה כלשהי בכניסה של ממיר פירואלקטרי, הגורמת לתנודות בטמפרטורה של הפירואלקטרי (המחזוריות מתקבלת, למשל, על ידי אפנון מלאכותי של עוצמת הקרינה), אז זרם חשמלי הוא מתקבל במוצא, שגם משתנה בתדירות מסוימת.

היתרונות של גלאי קרינה פירואלקטרית כוללים: מגוון רחב לאין שיעור של תדרים של קרינה מזוהה, רגישות גבוהה, מהירות גבוהה, יציבות תרמית. השימוש במקלטים פירואלקטריים באזור האינפרא אדום מבטיח במיוחד.

הם למעשה פותרים את הבעיה של זיהוי זרימות אנרגיה תרמית בהספק נמוך, מדידת הספק והצורה של פולסי לייזר קצרים ומדידות טמפרטורה ללא מגע ומגע רגישה ביותר (בדיוק מיקרו מעלות).

כיום, נידונה ברצינות האפשרות להשתמש בפירואלקטריה להמרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית: זרימה מתחלפת של אנרגיית קרינה מייצרת זרם חילופין במעגל החיצוני של אלמנט פירואלקטרי. ולמרות שהיעילות של מכשיר כזה נמוכה משיטות המרת האנרגיה הקיימות, עדיין עבור כמה יישומים מיוחדים שיטת המרה זו מקובלת למדי.

האפשרות שכבר השתמשה בשימוש באפקט הפירואלקטרי כדי להמחיש את ההתפלגות המרחבית של הקרינה במערכות הדמיה אינפרא אדום (ראיית לילה וכו') מבטיחה במיוחד. יצרו ווידיקונים פירואלקטריים - צינורות טלוויזיה מעבירי חום עם מטרה פירואלקטרית.

תמונה של עצם חם מוקרנת על מטרה, ובונה עליה את ההקלה המתאימה של המטען, הנקראת על ידי אלומת אלקטרונים סורקת. המתח החשמלי שנוצר על ידי זרם אלומת האלקטרונים שולט בבהירות האלומה המציירת את תמונת האובייקט על המסך.