Piroelektrik - Keşif, Fiziksel Temel ve Uygulamalar
keşiflerin tarihi
Efsaneye göre piroelektrik ile ilgili ilk kayıtlar antik Yunan filozofu ve botanikçi Theophrastus tarafından MÖ 314'te yapılmıştır. Bu kayıtlara göre, Theophrastus bir keresinde mineral turmalin kristallerinin ısıtıldığında kül ve saman parçalarını çekmeye başladığını fark etti. Çok daha sonra, 1707'de, piroelektrik fenomeni Alman oymacı Johann Schmidt tarafından yeniden keşfedildi.
Piroelektrik keşfinin, bu versiyona göre keşfi MÖ 6. yüzyılın başında yapan ünlü antik Yunan filozofu ve gezgin Miletli Thales'e atfedildiği başka bir versiyon daha var. N. E. Doğu ülkelerine seyahat eden Thales, mineraller ve astronomi üzerine notlar aldı.
Ovalanmış kehribarın samanları ve aşağı doğru çekme yeteneğini araştırarak, sürtünme yoluyla elektriklenme olgusunu bilimsel olarak yorumlayabildi. Platon daha sonra bu hikayeyi Timaeus diyaloğunda anlatacaktı.Platon'dan sonra, zaten 10. yüzyılda, İranlı filozof Al-Biruni "Mineraloji" adlı çalışmasında lal taşı kristallerinin benzer özelliklerini tanımladı.
Kristallerin piroelektrikliği ile diğer benzer elektriksel fenomenler arasındaki bağlantı, 1757'de Franz Epinus ve Johann Wilke belirli malzemelerin birbirlerine sürtündüklerinde polarizasyonlarını incelemeye başladıklarında kanıtlanacak ve geliştirilecekti.
127 yıl sonra, Alman fizikçi August Kundt, bir turmalin kristalini ısıtacağı ve kırmızı kurşun ve kükürt tozları karışımıyla bir elekten geçireceği canlı bir deney gösterecek. Kükürt pozitif olarak yüklenecek ve kırmızı kurşun negatif olarak yüklenecek, bu da kırmızı-turuncu kırmızı kurşunun turmalin kristalinin bir tarafını renklendirmesine ve diğer tarafının parlak sarı-gri renkte kaplanmasına neden olacaktır. August Kund daha sonra turmalini soğuttu, kristalin "kutupluluğu" değişti ve renkler yer değiştirdi. Seyirci sevindi.
Bu fenomenin özü, turmalin kristalinin sıcaklığı sadece 1 derece değiştiğinde, kristalde santimetre başına yaklaşık 400 voltluk bir elektrik alanının ortaya çıkmasıdır. Tüm piroelektrikler gibi turmalinin de hem piezoelektrik (bu arada, tüm piezoelektrikler piroelektrik değildir).
Fiziksel temeller
Fiziksel olarak, piroelektrik fenomeni, sıcaklıklarındaki bir değişiklik nedeniyle kristallerde bir elektrik alanının ortaya çıkması olarak tanımlanır. Sıcaklıktaki değişiklik doğrudan ısıtma, sürtünme veya radyasyondan kaynaklanabilir. Bu kristaller, dış etkilerin yokluğunda kendiliğinden (kendiliğinden) polarizasyona sahip dielektrikleri içerir.
Spontan polarizasyon genellikle fark edilmez çünkü yarattığı elektrik alan, çevreleyen hava ve kristalin kütlesi tarafından kristale uygulanan serbest yüklerin elektrik alanı tarafından dengelenir. Kristalin sıcaklığı değiştiğinde, kendiliğinden polarizasyonunun büyüklüğü de değişir, bu da serbest yüklerle telafi meydana gelmeden önce gözlemlenen bir elektrik alanının ortaya çıkmasına neden olur.
Piroelektriklerin kendiliğinden polarizasyonundaki bir değişiklik, yalnızca sıcaklıklarındaki bir değişiklikle değil, aynı zamanda mekanik deformasyonla da başlatılabilir. Bu nedenle tüm piroelektrikler aynı zamanda piezoelektriktir, ancak tüm piezoelektrikler piroelektrik değildir Spontan polarizasyon, yani kristal içindeki negatif ve pozitif yüklerin ağırlık merkezlerinin uyumsuzluğu, kristalin düşük doğal simetrisi ile açıklanır.
piroelektrik uygulamaları
Günümüzde piroelektrikler, radyasyon alıcılarının ve dedektörlerin, termometrelerin vb. bir parçası olarak çeşitli amaçlar için algılama cihazları olarak kullanılmaktadır. Bu cihazların tümü, piroelektriklerin önemli bir özelliğinden yararlanır - numuneye etki eden herhangi bir radyasyon türü, numunenin sıcaklığında bir değişikliğe ve buna karşılık gelen polarizasyonunda bir değişikliğe neden olur. Bu durumda numunenin yüzeyi iletken elektrotlarla kaplanırsa ve bu elektrotlar ölçüm devresine tellerle bağlanırsa, bu devreden bir elektrik akımı geçecektir.
Ve bir piroelektrik dönüştürücünün girişinde, piroelektrik sıcaklıkta dalgalanmalara neden olan herhangi bir radyasyon akışı varsa (örneğin, radyasyon yoğunluğunun yapay modülasyonu ile periyodiklik elde edilir), o zaman bir elektrik akımı çıkışta elde edilir, bu da belirli bir frekansla değişir.
Piroelektrik radyasyon dedektörlerinin avantajları şunları içerir: algılanan radyasyonun sonsuz geniş frekans aralığı, yüksek hassasiyet, yüksek hız, termal kararlılık. Kızılötesi bölgede piroelektrik alıcıların kullanımı özellikle ümit vericidir.
Aslında, düşük güçlü termal enerji akışlarını algılama, kısa lazer darbelerinin gücünü ve şeklini ölçme ve son derece hassas temassız ve temaslı sıcaklık ölçümü (mikro derece doğrulukla) sorununu çözüyorlar.
Bugün, termal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için piroelektrik kullanma olasılığı ciddi bir şekilde tartışılmaktadır: alternatif bir ışıma enerjisi akışı, bir piroelektrik elemanın dış devresinde bir alternatif akım üretir. Ve böyle bir cihazın verimi mevcut enerji dönüştürme yöntemlerinden daha düşük olmasına rağmen, yine de bazı özel uygulamalar için bu dönüştürme yöntemi oldukça kabul edilebilir.
Kızılötesi görüntüleme sistemlerinde (gece görüşü, vb.) radyasyonun uzamsal dağılımını görselleştirmek için halihazırda kullanılan piroelektrik etkiyi kullanma olasılığı özellikle umut vericidir. Piroelektrik vidikonlar - piroelektrik hedefi olan ısı ileten televizyon tüpleri oluşturuldu.
Sıcak bir nesnenin görüntüsü, bir tarama elektron ışını tarafından okunan yükün karşılık gelen kabartmasını oluşturarak bir hedef üzerine yansıtılır. Elektron ışını akımı tarafından oluşturulan elektrik voltajı, nesnenin ekrandaki görüntüsünü boyayan ışının parlaklığını kontrol eder.