Pyro-elektriciteit - Ontdekking, fysieke basis en toepassingen

Geschiedenis van ontdekkingen

Volgens de legende werden de eerste records van pyro-elektriciteit gemaakt door de oude Griekse filosoof en botanicus Theophrastus in 314 voor Christus. Volgens deze gegevens merkte Theophrastus eens op dat kristallen van het mineraal toermalijn bij verhitting stukjes as en stro begonnen aan te trekken. Veel later, in 1707, werd het fenomeen pyro-elektriciteit herontdekt door de Duitse graveur Johann Schmidt.

Er is een andere versie, volgens welke de ontdekking van pyro-elektriciteit wordt toegeschreven aan de beroemde oude Griekse filosoof en reiziger Thales van Miletus, die volgens deze versie de ontdekking deed aan het begin van de 6e eeuw voor Christus. N. E. Reizend naar oostelijke landen, maakte Thales aantekeningen over mineralen en astronomie.

Door het vermogen van gewreven barnsteen te onderzoeken om rietjes naar beneden te trekken, kon hij het fenomeen van elektrificatie door wrijving wetenschappelijk interpreteren. Plato zou dit verhaal later beschrijven in de Timaeus-dialoog.Na Plato, al in de 10e eeuw, beschreef de Perzische filosoof Al-Biruni in zijn werk "Mineralogy" vergelijkbare eigenschappen van granaatkristallen.

Het verband tussen de pyro-elektriciteit van kristallen en andere soortgelijke elektrische verschijnselen zou worden bewezen en ontwikkeld in 1757, toen Franz Epinus en Johann Wilke de polarisatie begonnen te bestuderen van bepaalde materialen terwijl ze tegen elkaar wreven.

Na 127 jaar zal de Duitse natuurkundige August Kundt een levendig experiment laten zien waarin hij een toermalijnkristal verhit en door een zeef giet met een mengsel van rode lood- en zwavelpoeders. De zwavel zal positief geladen zijn en het rode lood negatief geladen, waardoor het rood-oranje rode lood de ene kant van het toermalijnkristal kleurt en de andere kant bedekt is met een helder geel-grijs. August Kund koelde vervolgens de toermalijn af, de "polariteit" van het kristal veranderde en de kleuren verwisselden van plaats. Het publiek was opgetogen.

De essentie van het fenomeen is dat wanneer de temperatuur van het toermalijnkristal slechts 1 graad verandert, er een elektrisch veld van ongeveer 400 volt per centimeter in het kristal verschijnt. Merk op dat toermalijn, zoals alle pyro-elektrische apparaten, beide is piëzo-elektrisch (trouwens, niet alle piëzo-elektrische apparaten zijn pyro-elektrische apparaten).

Fysieke fundamenten

Fysiek wordt het fenomeen pyro-elektriciteit gedefinieerd als het verschijnen van een elektrisch veld in kristallen als gevolg van een verandering in hun temperatuur. De verandering in temperatuur kan worden veroorzaakt door directe verwarming, wrijving of straling. Deze kristallen bevatten diëlektrica met spontane (spontane) polarisatie bij afwezigheid van invloeden van buitenaf.

Spontane polarisatie wordt meestal niet opgemerkt omdat het elektrische veld dat het creëert, wordt gecompenseerd door het elektrische veld van vrije ladingen dat door de omringende lucht en door de massa van het kristal op het kristal wordt aangebracht. Wanneer de temperatuur van het kristal verandert, verandert ook de grootte van zijn spontane polarisatie, wat leidt tot het verschijnen van een elektrisch veld, dat wordt waargenomen voordat compensatie met vrije ladingen plaatsvindt.

Een verandering in de spontane polarisatie van pyro-elektrische materialen kan niet alleen worden geïnitieerd door een verandering in hun temperatuur, maar ook door mechanische vervorming. Daarom zijn alle pyro-elektrische apparaten ook piëzo-elektrische apparaten, maar niet alle piëzo-elektrische apparaten zijn pyro-elektrische apparaten.Spontane polarisatie, dat wil zeggen de mismatch van de zwaartepunten van de negatieve en positieve ladingen in het kristal, wordt verklaard door de lage natuurlijke symmetrie van het kristal.

Toepassingen van pyro-elektriciteit

Tegenwoordig worden pyro-elektrische apparaten gebruikt als detectie-apparaten voor verschillende doeleinden, als onderdeel van stralingsontvangers en -detectoren, thermometers, enz. Al deze apparaten maken gebruik van een belangrijke eigenschap van pyro-elektriciteit: elk type straling dat op het monster inwerkt, veroorzaakt een verandering in de temperatuur van het monster en een overeenkomstige verandering in de polarisatie ervan. Als in dit geval het oppervlak van het monster is bedekt met geleidende elektroden en deze elektroden met draden zijn verbonden met het meetcircuit, dan zal er een elektrische stroom door dit circuit gaan lopen.

En als er een stroom van enige vorm van straling is aan de ingang van een pyro-elektrische omzetter, die fluctuaties in de temperatuur van de pyro-elektrische veroorzaakt (periodiciteit wordt bijvoorbeeld verkregen door kunstmatige modulatie van de stralingsintensiteit), dan is er een elektrische stroom verkregen aan de uitgang, die ook verandert met een bepaalde frequentie.

De voordelen van pyro-elektrische stralingsdetectoren zijn: een oneindig breed scala aan frequenties van gedetecteerde straling, hoge gevoeligheid, hoge snelheid, thermische stabiliteit. Het gebruik van pyro-elektrische ontvangers in het infraroodgebied is bijzonder veelbelovend.

Ze lossen eigenlijk het probleem op van het detecteren van thermische energiestromen met laag vermogen, het meten van het vermogen en de vorm van korte laserpulsen en zeer gevoelige contactloze en contacttemperatuurmeting (met nauwkeurigheid op micrograden).

Tegenwoordig wordt de mogelijkheid om pyro-elektriciteit te gebruiken om thermische energie direct om te zetten in elektrische energie serieus besproken: een wisselende stroom stralingsenergie genereert een wisselstroom in het externe circuit van een pyro-elektrisch element. En hoewel de efficiëntie van zo'n apparaat lager is dan de bestaande energieconversiemethoden, is deze conversiemethode voor sommige speciale toepassingen toch acceptabel.

De reeds gebruikte mogelijkheid om het pyro-elektrische effect te gebruiken om de ruimtelijke verdeling van straling in infraroodbeeldvormingssystemen (nachtzicht, etc.) te visualiseren, is bijzonder veelbelovend. Gemaakte pyro-elektrische vidicons - warmtegeleidende televisiebuizen met een pyro-elektrisch doelwit.

Het beeld van een warm object wordt op een doel geprojecteerd, waarop het overeenkomstige reliëf van de lading wordt voortgebouwd, dat wordt gelezen door een scannende elektronenstraal. De elektrische spanning die door de elektronenbundelstroom wordt gecreëerd, regelt de helderheid van de bundel die het beeld van het object op het scherm schildert.