Pyroelektricitet

Pyrosensor til bevægelsesdetektorer med to pyroelementer (6,5 mm i diameter)

Pyroelektricitet (græsk. Pyrein , πυρος pyro = "brænd, jeg brænder", også: pyroelektrisk effekt , pyroelektrisk polarisering ) er egenskaben for nogle piezoelektriske krystaller til en temperaturændring Δ, T med ladningsseparation for at reagere. Pyroelektricitet forekommer kun i følgende ti krystalklasser : 1, m , 2, mm 2, 3, 3 m , 4, 4 mm , 6 og 6 mm .

hovedårsagen

I pyroelektriske krystaller er polære krystaller . Dette betyder, at de har en permanent elektrisk dipol . De består derfor af elektrisk polære enhedsceller , som hver har sin egen dipol. I modsætning til ferroelektriske krystaller, hvor polarisationsretningen kan påvirkes ved at anvende en elektrisk spænding , har alle elektriske dipoler i pyroelektriske krystaller den samme retning. En pyroelektrisk krystal er derfor altid piezoelektrisk, når den deformeres, dvs. den genererer en elektrisk spænding .

Hvis du opvarmer eller køler en pyroelektrisk krystal, oplades de modsatte overflader elektrisk i modsatte retninger, hvorved den ende, der er positivt ladet ved opvarmning, kaldes den analoge pol , den anden kaldes antilogpolen . Den resulterende spændingsforskel kan tappes ved de tilsvarende krystalkanter (overflader) med elektroder .

Polarisationen er : ${\ displaystyle P _ {\ mathrm {py}}}$

{\ displaystyle \ Delta {\ vec {P}} _ {\ mathrm {py}} = {\ vec {p}} \ cdot \ Delta T}

hvor er den pyroelektriske konstant og temperaturforskellen. ${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle \ Delta T}$

De eksisterende overfladeafgifter kompenseres imidlertid for af ladebærere absorberet fra miljøet, f.eks. B. frie elektroner . Derfor, (tilsyneladende) overfladeladninger kun forekomme ved en ændring af temperatur på. I modsætning hertil med et termoelektrisk materiale resulterer en temperaturforskel mellem to sider af et emne i en konstant spænding.

Ændringen i temperatur for en pyroelektrisk krystal forårsager en ændring i afstanden mellem gitterionerne. På den ene side medfører dette en ændring i længden ( termisk ekspansion ) i krystalaksen , hvis retning svarer til polariseringsretningen. Ifølge piezoelektriciteten skaber dette en afgift. På den anden side ændres den permanente polarisering med temperaturen. Begge effekter er i samme retning og fører til en ekstern ladning af krystallen.

Den pyroelektriske effekt blev først fundet i turmalin . Det modsatte af denne effekt er den elektrokaloriske effekt ; H. generering af varme (kulde), når et elektrisk felt påføres (kollapset).

Man skelner mellem to former for den pyroelektriske effekt:

Reel pyroelektrisk effekt (reel pyroelektrisk effekt): Baseret på en gitteromdannelse, når temperaturen ændres. Det identificeres ved koefficienten . ${\ displaystyle p '}$
Forkert pyroelektrisk effekt (pseudopyroeffect): Her ændrer krystallen sin lydstyrke afhængigt af temperaturen og dermed forholdet mellem ladning og volumen. Det er markeret med koefficienten . ${\ displaystyle p ''}$

Sammenfattende med ovenstående ligning resulterer dette i:

{\ displaystyle \ Delta P _ {\ mathrm {total}} = (p '+ p' ') \ cdot \ Delta T}

Med

{\ displaystyle (p '+ p' ') = p}

hvorved ofte dominerer. ${\ displaystyle p ''}$

Eksempler

Ud over turmalin viser andre materialer også denne effekt, herunder triglycinsulfat (TGS), ofte i deutereret form (DTGS), undertiden også doteret med L- alanin (LATGS, DLaTGS), lithiumtantalat eller polyvinylidenfluorid (PVDF).

Andre pyroelektriske materialer er:

Turmalin gruppe mineraler
Strontium barium niobat (SrBaNbO ₃ )
Blytitanat (PbTiO ₃ )
Bariumtitanat (BaTiO ₃ ) i ferroelektriske tilstand, dvs. H. under den ferroelektriske Curie-temperatur, fordi materialet skal have spontan polarisering.
Natriumnitrit (NaNO ₂ )
Lithiumniobat (LiNbO ₃ )
En pyroelektrisk effekt kan også observeres på knogler og sener

bevis

For at få et kvalitativt bevis nedsænkes en krystal kortvarigt i flydende nitrogen. Det observeres derefter, hvordan is kondenserer på den kolde krystal fra fugtigheden i den omgivende luft. Når ladninger på overfladen er forskudt, dannes trådlignende ispartikler, der følger de elektriske feltlinjer .

Ansøgning

Pyroelektricitet anvendes hovedsageligt i sensorteknologi . Infrarød ( bevægelsesdetektorer , brandalarmer ) og mikrobølgedetektorer, temperaturfølere ( temperaturfølere ) og kalorimetre er baseret på denne effekt. Selv meget små temperaturændringer frembringer en elektrisk spænding. Som et resultat kan passive infrarøde bevægelsesdetektorer for eksempel reagere på levende væseners bevægelse, når de stadig er flere meter væk.

Med sådanne pyroelektriske krystaller kan meget høje spændinger på flere 100 kV genereres med enkle midler i et lille rum.

En anden anvendelse er meget små røntgenkilder, størrelsen af en tændstikæske, hvor elektroner accelereres af det pyroelektriske krystalfelt.

Pyroelektriske krystaller anvendes også til den følsomme påvisning af THz-stråling ned til picowatt-området.

Individuelle beviser

^ Richard JD Tilley: Krystaller og krystalstrukturer . John Wiley & Sons, 2006, s. 82 ( begrænset forhåndsvisning i Google Book-søgning).
^ Will Kleber , Hans-Joachim Bautsch , Joachim Bohm : Introduktion til krystallografi. Verlag Technik, 1990, ISBN 3-341-00479-3 , s. 262.

litteratur

Karl Nitzsche, Hans-Jürgen Ullrich (red.): Funktionelle materialer inden for elektroteknik og elektronik . 2. stærkt revideret udgave. Tysk forlag til grundindustrien, Leipzig et al. 1993, ISBN 3-342-00524-6 .
Hanno Schaumburg: sensorer . Teubner, Stuttgart 1992, ISBN 3-519-06125-2 ( materialer og komponenter til elektroteknik 3).

Weblinks

Wiktionary: Pyroelectricity - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

WiredSense - Pyroelektriske THz-detektorer

[tilley-1] Richard JD Tilley: Krystaller og krystalstrukturer . John Wiley & Sons, 2006, s. 82 ( begrænset forhåndsvisning i Google Book-søgning).

[2] Will Kleber , Hans-Joachim Bautsch , Joachim Bohm : Introduktion til krystallografi. Verlag Technik, 1990, ISBN 3-341-00479-3 , s. 262.

Languages