Кристаллды қыздырғанда пайда болатын кернеу туралы ақпарат. Пироэлектрлік – кристаллдардың жылуға немесе суынуға жауап ретінде электр қуатын өндіру қабілеті.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Пироэлектрлік (грекше: pyr (πυρ), "от" және электр) – табиғи түрде электрлік поляризацияланған және нәтижесінде күшті электр өрістерін қамтитын кейбір кристаллдардың қасиеті. Пироэлектрлік – белгілі бір материалдардың қыздырылған немесе суытылған кезде уақытша кернеу тудыру қабілеті ретінде сипатталады.
Voltage created when a crystal is heated
Pyroelectricity (from Greek: pyr (πυρ), "fire" and electricity) is a property of certain crystals which are naturally electrically polarized and as a result contain large electric fields. Pyroelectricity can be described as the ability of certain materials to generate a temporary voltage when they are heated or cooled.
Түсіндірме
Минералдардағы пироэлектрлік заряд асимметриялық кристалдардың қарама-қарсы беттерінде дамиды. Зарядтың таралу бағыты пироэлектрлік материал ішінде әдетте тұрақты болады, бірақ кейбір материалдарда бұл бағыт жақын жердегі электр өрісімен өзгертілуі мүмкін. Мұндай материалдар ферроэлектрлік қасиеттерге ие деп айтылады. Белгілі барлық пироэлектрлік материалдар сонымен қатар пьезоэлектрлік болып табылады. Пироэлектрлік болғанымен, борон-алюминий нитриді (BAlN) және борон-галлий нитриді (BGaN) сияқты жаңа материалдар, белгілі бір құралымдарда c осьі бойындағы деформацияға жауап ретінде нөлдік пьезоэлектрлік реакцияны көрсетеді, бұл екі қасиеттің тығыз байланысты екенін көрсетеді. Дегенмен, кейбір пьезоэлектрлік материалдардың кристалдық симметриясы пироэлектрлікке мүмкіндік бермейтінін ескеру қажет. Пироэлектрлік материалдар көбінесе қатты және кристалды болып келеді; алайда, электреттерді пайдалану арқылы жұмсақ пироэлектрлікке қол жеткізуге болады. Пироэлектрлік температура өзгеруіне пропорционалды таза поляризацияның (вектор) өзгеруі ретінде өлшенеді. Тұрақты кернеуде өлшенген жалпы пироэлектрлік коэффициент – тұрақты деформациядағы пироэлектрлік коэффициенттердің (біріншілік пироэлектрлік эффект) және жылулық кеңеюден туындаған пьезоэлектрлік үлесінің қосындысы болып табылады. Қалыпты жағдайларда, тіпті полярлы материалдар да таза дипольдық моментті көрсетпейді. Осының салдарынан, бар магниттерге тең электрлік дипольдық баламалар жоқ, себебі ішкі дипольдық момент ішкі өткізгіштік арқылы немесе қоршаған ортадан жиналған «еркін» электр зарядымен теңестіріледі. Полярлы кристалдар тек қана белгілі бір бұзылған кезде ғана өз табиғатын көрсетеді, бұл компенсациялық беттік зарядпен уақытша тепе-теңдікті бұзады. Өздігінен поляризация температураға тәуелді, сондықтан температураның өзгеруі – беттерге және олардан заряд ағынын тудыратын жақсы бұзылу зонды болып табылады. Бұл пироэлектрлік эффекті. Барлық полярлы кристалдар пироэлектрлік, сондықтан 10 полярлы кристалл класын кейде пироэлектрлік кластар деп атайды. Пироэлектрлік материалдар инфрақызыл және миллиметрлік толқынды сәулеленуді анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Электрет – тұрақты магниттің электрлік эквиваленті.
Pyroelectric charge in minerals develops on the opposite faces of asymmetric crystals. The direction in which the propagation of the charge tends is usually constant throughout a pyroelectric material, but, in some materials, this direction can be changed by a nearby electric field. These materials are said to exhibit ferroelectricity. All known pyroelectric materials are also piezoelectric. Despite being pyroelectric, novel materials such as boron aluminum nitride (BAlN) and boron gallium nitride (BGaN) have zero piezoelectric response for strain along the c axis at certain compositions, the two properties being closely related. However, note that some piezoelectric materials have a crystal symmetry that does not allow pyroelectricity. Pyroelectric materials are mostly hard and crystals; however, soft pyroelectricity can be achieved by using electrets. Pyroelectricity is measured as the change in net polarization (a vector) proportional to a change in temperature. The total pyroelectric coefficient measured at constant stress is the sum of the pyroelectric coefficients at constant strain (primary pyroelectric effect) and the piezoelectric contribution from thermal expansion (secondary pyroelectric effect). Under normal circumstances, even polar materials do not display a net dipole moment. As a consequence, there are no electric dipole equivalents of bar magnets because the intrinsic dipole moment is neutralized by "free" electric charge that builds up on the surface by internal conduction or from the ambient atmosphere. Polar crystals only reveal their nature when perturbed in some fashion that momentarily upsets the balance with the compensating surface charge. Spontaneous polarization is temperature dependent, so a good perturbation probe is a change in temperature which induces a flow of charge to and from the surfaces. This is the pyroelectric effect. All polar crystals are pyroelectric, so the 10 polar crystal classes are sometimes referred to as the pyroelectric classes. Pyroelectric materials can be used as infrared and millimeter wavelength radiation detectors. An electret is the electrical equivalent of a permanent magnet.
Тарих
Пироэлектрлік әсерді алғаш рет 1707 жылы Иоганн Георг Шмидт сипаттады, ол "[ыстық] турмалиннің магнит темірді тартатындай, ыстық немесе жалыны бар көмірден күлді тарта алатынын, бірақ оларды қайтадан итергісін келгенін [тигеннен кейін] байқады". 1717 жылы Луи Лемери Шмидт сияқты, өткізбейтін материалдың кішкентай бөлікшелері алдымен турмалинге тартылатынын, бірақ тасқа тигеннен кейін одан итерілетінін анықтады. 1747 жылы Линней бұл құбылысты алғаш рет электрмен байланыстырды (ол турмалинды Lapidem Electricum, "электр тасы" деп атады), бірақ бұл 1756 жылға дейін Франц Ульрих Теодор Эпинуспен дәлелденбеді. Пироэлектрлік құбылысты зерттеу 19 ғасырда одан әрі дамыды. 1824 жылы сэр Дэвид Брюстер осы әсерге қазіргі атын берді. 1878 жылы Уильям Томсон және 1897 жылы Вольдемар Войгт пироэлектрлік процестердің теориясын әзірлеуге үлкен үлес қосты. Пьер Кюри және оның інісі Жак Кюри 1880 жылдары пироэлектрлік құбылысты зерттеді, нәтижесінде пьезоэлектрлік құбылыстың кейбір механизмдерін ашты. Пироэлектрлік әсердің алғашқы жазбасы ретінде бұл қателікпен Теофрастқа (б.з.д. 314 ж.) жатқызылады. Бұл жаңылыс турмалиннің пироэлектрлік қасиеттері ашылғаннан кейін пайда болды, сол кездегі минералогтар оны аңызға толы Лингурий тасымен байланыстырды. Лингурий Теофраст еңбегінде пироэлектрлік қасиеттері көрсетілмей, тек янтарьға ұқсас деп сипатталған.
The first record of the pyroelectric effect was made in 1707 by Johann Georg Schmidt, who noted that the "[hot] tourmaline could attract the ashes from the warm or burning coals, as the magnet does iron, but also repelling them again [after the contact]". In 1717 Louis Lemery noticed, as Schmidt had, that small scraps of non conducting material were first attracted to tourmaline, but then repelled by it once they contacted the stone. In 1747 Linnaeus first related the phenomenon to electricity (he called tourmaline Lapidem Electricum, "the electric stone"), although this was not proven until 1756 by Franz Ulrich Theodor Aepinus. Research into pyroelectricity became more sophisticated in the 19th century. In 1824 Sir David Brewster gave the effect the name it has today. Both William Thomson in 1878 and Woldemar Voigt in 1897 helped develop a theory for the processes behind pyroelectricity. Pierre Curie and his brother, Jacques Curie, studied pyroelectricity in the 1880s, leading to their discovery of some of the mechanisms behind piezoelectricity. It is mistakenly attributed to Theophrastus (c. 314 BC) the first record of pyroelectricity. The misconception arose soon after the discovery of the pyroelectric properties of tourmaline, which made mineralogists of the time associate the legendary stone Lyngurium with it. Lyngurium is described in the work of Theophrastus as being similar to amber, without specifying any pyroelectric properties.
Қарым-қатынас әсерлері
Пироэлектрмен тығыз байланысты екі құбылыс – ферроэлектрлік және пьезоэлектрлік. Көптеген материалдар макроскопиялық деңгейде электрлік жағынан шамамен бейтарап болады. Дегенмен, материалды құрайтын оң және теріс зарядтар міндетті түрде симметриялық түрде орналаспайды. Егер негізгі ұяшықтың барлық элементтері үшін заряд пен қашықтықтың көбейтіндісінің қосындысы нөлге тең болмаса, онда ұяшықта электрлік диполь моменті болады (векторлық шама). Көлем бірлігіне шаққандағы диполь моменті диэлектрлік поляризация деп аталады. Егер бұл диполь моменті температураның өзгеруіне, сыртқы электр өрісіне немесе қысымға тәуелді өзгерсе, материал тиісінше пироэлектрлік, ферроэлектрлік немесе пьезоэлектрлік болады. Ферроэлектрлік құбылыс сыртқы электр өрісі болмағанда да электрлік поляризацияға ие материалдарда байқалады, және электр өрісінің бағыты өзгертілсе, поляризация да кері қайтарылуы мүмкін. Барлық ферроэлектрлік материалдар спонтандық поляризацияға ие болғандықтан, барлық ферроэлектрлік материалдар пироэлектрлік те болып табылады (бірақ барлық пироэлектрлік материалдар ферроэлектрлік емес). Пьезоэлектрлік құбылыс кристаллдарда (мысалы, кварц немесе керамика) байқалады, оларға қысым қолданғанда материалдың бойымен электр кернеуі пайда болады. Пироэлектрлік құбылысқа ұқсас, бұл құбылыс кристаллдардың асимметриялық құрылысына байланысты, ол иондардың бір ось бойында басқа осьтерге қарағанда оңай қозғалуына мүмкіндік береді. Қысым қолданғанда, кристаллдың әр жағы қарама-қарсы заряд алады, нәтижесінде кристаллдың бойында кернеу түседі. Пироэлектрлік құбылысты термоэлектрлікпен шатастыруға болмайды: пироэлектрлік құбылысты көрсету үшін әдетте бүкіл кристалл бір температурадан екінші температураға ауыстырылады, нәтижесінде кристаллдың бойында уақытша кернеу пайда болады. Ал термоэлектрлік құбылысты көрсету үшін құрылғының бір бөлігі бір температурада, ал екінші бөлігі басқа температурада ұсталады, нәтижесінде температура айырмасы болғанда құрылғыда тұрақты кернеу пайда болады. Екі құбылыс та температураның өзгеруін электрлік потенциалға айналдырады, бірақ пироэлектрлік құбылыс уақыт бойынша температураның өзгеруін электрлік потенциалға айналдырады, ал термоэлектрлік құбылыс орналасу бойынша температураның өзгеруін электрлік потенциалға айналдырады.
Two effects which are closely related to pyroelectricity are ferroelectricity and piezoelectricity. Normally materials are very nearly electrically neutral on the macroscopic level. However, the positive and negative charges which make up the material are not necessarily distributed in a symmetric manner. If the sum of charge times distance for all elements of the basic cell does not equal zero the cell will have an electric dipole moment (a vector quantity). The dipole moment per unit volume is defined as the dielectric polarization. If this dipole moment changes with the effect of applied temperature changes, applied electric field, or applied pressure, the material is pyroelectric, ferroelectric, or piezoelectric, respectively. The ferroelectric effect is exhibited by materials which possess an electric polarization in the absence of an externally applied electric field such that the polarization can be reversed if the electric field is reversed. Since all ferroelectric materials exhibit a spontaneous polarization, all ferroelectric materials are also pyroelectric (but not all pyroelectric materials are ferroelectric). The piezoelectric effect is exhibited by crystals (such as quartz or ceramic) for which an electric voltage across the material appears when pressure is applied. Similar to pyroelectric effect, the phenomenon is due to the asymmetric structure of the crystals that allows ions to move more easily along one axis than the others. As pressure is applied, each side of the crystal takes on an opposite charge, resulting in a voltage drop across the crystal. Pyroelectricity should not be confused with thermoelectricity: In a typical demonstration of pyroelectricity, the whole crystal is changed from one temperature to another, and the result is a temporary voltage across the crystal. In a typical demonstration of thermoelectricity, one part of the device is kept at one temperature and the other part at a different temperature, and the result is a permanent voltage across the device as long as there is a temperature difference. Both effects convert temperature change to electrical potential, but the pyroelectric effect converts temperature change over time into electrical potential, while the thermoelectric effect converts temperature change with position into electrical potential.
Пироэлектрлік материалдар
Жасанды пироэлектрлік материалдар жасалғанмен, бұл әсер алғаш рет турмалин сияқты минералдарда ашылды. Пироэлектрлік әсер сүйек және шеміршекте де кездеседі. Ең маңызды мысал – галлий нитриді, ол жартылай өткізгіш. Бұл материалдағы күшті электр өрістері жарықдиодтарда (LED) зиянды, бірақ қуат транзисторларын жасау үшін пайдалы. Галлий нитриді (GaN), цезий нитраты (CsNO3), поливинил фторидтері, фенилпиридин туындылары және кобальт фталоцианинін қолдану арқылы, әдетте жұқа пленка түрінде, жасанды пироэлектрлік материалдар жасау саласында үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Литий танталаты (LiTaO3) – пиезоэлектрлік және пироэлектрлік қасиеттері бар кристалл, ол кішкентай масштабтағы ядролық синтез ("пироэлектрлік синтез") жасау үшін қолданылған. Соңғы кезде CMOS өндірісінде қолданылатын стандартты материал – допингтелген гафний оксидінің (HfO2) пироэлектрлік және пиезоэлектрлік қасиеттері анықталды.
Although artificial pyroelectric materials have been engineered, the effect was first discovered in minerals such as tourmaline. The pyroelectric effect is also present in bone and tendon. The most important example is gallium nitride, a semiconductor. The large electric fields in this material are detrimental in light emitting diodes (LEDs), but useful for the production of power transistors. Progress has been made in creating artificial pyroelectric materials, usually in the form of a thin film, using gallium nitride (GaN), caesium nitrate (CsNO3), polyvinyl fluorides, derivatives of phenylpyridine, and cobalt phthalocyanine. Lithium tantalate (LiTaO3) is a crystal exhibiting both piezoelectric and pyroelectric properties, which has been used to create small scale nuclear fusion ("pyroelectric fusion"). Recently, pyroelectric and piezoelectric properties have been discovered in doped hafnium oxide (HfO2), which is a standard material in CMOS manufacturing.
Жылу сенсорлары
Температураның өте кішкентай өзгерістері пироэлектрлік потенциал тудыруы мүмкін. Пассивті инфрақызыл сенсорлар көбінесе пироэлектрлік материалдар негізінде жасалады, себебі бірнеше метр қашықтықтағы адамның немесе жануардың жылуы кернеуді жасауға жеткілікті.
Very small changes in temperature can produce a pyroelectric potential. Passive infrared sensors are often designed around pyroelectric materials, as the heat of a human or animal from several feet away is enough to generate a voltage.
Ядролық синтез
Пироэлектрлік материалдар ядролық синтез процесінде дейтерий иондарын бағыттау үшін қажетті күшті электр өрістерін жасауға қолданылған. Бұл пироэлектрлік синтез деп белгілі.
Pyroelectric materials have been used to generate large electric fields necessary to steer deuterium ions in a nuclear fusion process. This is known as pyroelectric fusion.