Piroelectricitate
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Piroelectricitatea este proprietatea unor anumite cristale anizotrope prin care polarizarea electrică spontană depinde de temperatură. Substanţele care prezintă această proprietate se numesc piroelectrice, iar apariţia sarcinilor electrice la suprafaţa unui astfel de material în urma încălzii sau răcirii lui se numeşte efectul piroelectric. Una dintre aplicaţiile piroelectricităţii este în dispozitivele de detecţie a radiaţiilor infraroşii şi milimetrice, folosite de exemplu în detecţia de la distanţă a mişcării oamenilor şi animalelor.
Printre materialele piroelectrice cele mai comune se numără cuarţul, turmalina, unele substanţe monocristaline (tantalat de litiu etc.), materiale ceramice şi unii polimeri, precum şi o serie de substanţe organice ca ţesuturile de os şi de tendon şi colagenul.
Efectul opus, constînd în creşterea sau scăderea temperaturii în urma aplicării unui cîmp electric, se numeşte efectul electrocaloric.
Cuvîntul piroelectric a fost creat de fizicianul scoţian David Brewster în 1824 din grecescul πυρ pyr (foc) şi electric.
Cuprins |
[modifică] Explicaţie
Efectul piroelectric constă în apariţia de sarcini electrice de semne contrare la suprafeţele opuse ale materialului atunci cînd acesta este încălzit sau răcit. Sarcinile electrice apar ca urmare a creşterii sau scăderii polarizării electrice din volumul materialului.
Există o legătură strînsă între piroelectricitate şi piezoelectricitate (apariţia polarizării electrice în urma deformării mecanice), una din consecinţele acestei legături fiind faptul că toate materialele piroelectrice sînt în acelaşi timp şi piezoelectrice. Mai exact, dintre toate cele 32 de clase de structură cristalină, 20 de clase prezintă proprietatea de piezoelectricitate, iar dintre acestea 10 clase (cele polare, care se polarizează spontan) sînt şi piroelectrice.
Coeficientul piroelectric arată ce polarizare electrică se obţine la variaţia cu o unitate a temperaturii:
,
unde D este polarizarea electrică măsurată în C/m², p este coeficientul piroelectric în unităţi de C/m²K, iar θ este temperatura în K sau °C.
Efectul piroelectric are la nivel molecular două componente:
- Efectul piroelectric direct constă în apariţia polarizării electrice strict sub influenţa temperaturii, fără intervenţia deformărilor mecanice.
- Efectul piroelectric indirect se produce în două etape: modificarea temperaturii produce deformări şi tensiuni mecanice care la rîndul lor determină polarizarea electrică prin piezoelectricitate.
Pentru a măsura separat cele două componente materialul este montat în aşa fel încît să nu se poată deforma şi deci componenta indirectă (piezoelectrică) să nu fie activată. Cele două efecte pot acţiona în acelaşi sens sau în sensuri contrare, determinînd astfel coeficientul piroelectric total. În general efectul primar este mai puternic, dar există şi excepţii, printre care chiar turmalina. Există şi un efect terţiar, care apare atunci cînd materialul este supus unei încălziri sau răciri neuniforme, ceea ce produce o tensiune mecanică neuniformă şi o polarizare electrică printr-un efect piezoelectric.
În producţia de detectori de infraroşu şi unde milimetrice este importantă alegerea unui material cu un coeficient piroelectric cît mai mare, de exemplu C6H17N3O10S (triglycine sulfate) cu un coeficient piroelectric total de −270 μC/m²K. Pentru comparaţie turmalina are un coeficient cu aproape două ordine de mărime mai mic, −4 μC/m²K.
[modifică] Istoric
[modifică] Antichitate
Piroelectricitatea este cunoscută încă din antichitate, cînd hinduşii şi grecii au constatat că de exemplu cristalele de turmalină capătă prin încălzire proprietatea de a atrage obiectele uşoare (cenuşa etc.). În secolul al IV-lea î.Hr. (aproximativ anul 315 î.Hr.) învăţatul grec Teofrast a descris o piatră pe care el o numea lyngourion (în latină lyncurium) şi care atrage paiele şi aşchiile de lemn. Această piatră este cel mai probabil ceea ce azi numim turmalină. Teofrast credea că acest material se formase din urina unui animal sălbatic, pe care mai tîrziu Plinius l-a identificat cu rîsul (Lynx lynx).
[modifică] Secolul al XVII-lea
Timp de peste două milenii cunoştinţele noastre despre piroelectricitate nu au evoluat aproape deloc, pînă cînd în secolul al XIII-lea aceasta a intrat în atenţia cîtorva învăţaţi. În 1717 medicul şi chimistul Louis Lemery a realizat prima descriere ştiinţifică a fenomenului. Primul care a înţeles că proprietăţile turmalinei au de a face cu electricitatea a fost însă naturalistul Carl von Linné, care pe baza acestei observaţii a numit turmalina lapis electricus (piatra electrică). O serie de alţi cercetători ai secolului al XVIII-lea au continuat să studieze fenomenul, dar înţelegerea cantitativă a acestuia avea să se producă abia în secolul următor, în urma dezvoltării unor aparate suficient de precise.
[modifică] Secolul al XIX-lea
La începutul secolului al XIX-lea David Brewster, fizician cu importante contribuţii în optică, a studiat şi proprietăţile piroelectrice ale sării Rochelle (tartrat de sodiu şi potasiu). După inventarea electrometrului de către Antoine Becquerel au devenit posibile determinări cantitative ale piroelectricităţii; primul care a efectuat astfel de măsurători a fost John Mothée Gaugain. El a descoperit cîteva din caracteristicile importante ale piroelectricităţii:
- Sarcina electrică produsă de un cristal de turmalină depinde numai de limitele între care variază temperatura sa.
- Între două limite de temperatură date, creşterea temperaturii produce aceeaşi electricitate ca scăderea acesteia, dar sarcina electrică are semnul opus.
- Cantitatea de sarcină electrică este direct proporţională cu aria secţiunii transversale a cristalului, dar nu depinde de lungimea acestuia.
În 1878 William Thomson a elaborat o teorie despre piroelectricitate şi a prezis cu această ocazie existenţa fenomenului invers, electrocaloric.
Fraţii Pierre şi Jacques Curie au descoperit o parte din mecanismele responsabile pentru efectul piroelectric, ceea ce i-a condus în cele din urmă la descoperirea piezoelectricităţii în 1880.
[modifică] Secolul al XX-lea
În deceniile ce au urmat piroelectricitatea a fost studiată de numeroşi oameni de ştiinţă printre care şi cîţiva laureaţi ai Premiului Nobel, cunoscuţi în general pentru realizări în alte domenii, precum Wilhelm Röntgen, Pierre Curie, Gabriel Lippman, Heike Kammerlingh Onnes, Erwin Schrödinger, Archer Martin şi Max Born.
Studiile lui Joseph Valasek asupra piroelectricităţii aveau să ducă în 1920 la descoperirea unui alt fenomen înrudit, feroelectricitatea.
[modifică] Detectori piroelectrici
În 1938 chimistul Yeou Ta de la Sorbona a propus ca aplicaţie a piroelectricităţii turmalinei utilizarea acesteia la detecţia radiaţiilor infraroşii. În timpul şi după terminarea celui de-al doilea război mondial cercetările au continuat în SUA, Regatul Unit şi Germania, dar rezultatele au fost ţinute secrete. Abia începînd din anii 1960 au început să fie publicate descrieri ale unor detectori piroelectrici.
În prezent, structura unui asemenea detector cuprinde materialul piroelectric şi electronica necesară pentru amplificarea semnalului. Cele mai utilizate materiale piroelectrice sînt TGS (triglycine sulfate), tantalatul de litiu, unele ceramici pe bază de zirconat şi titanat de plumb, unii polimeri fluoruraţi etc.
[modifică] Principiul de funcţionare
Principiul de funcţionare constă în absorbţia radiaţiei incidente în materialul piroelectric, ceea ce conduce la o mică variaţie a temperaturii. Ca urmare a efectului piroelectric, pe suprafeţele materialului sensibil se acumulează sarcini electrice, colectate de electrozii depuşi pe aceste suprafeţe şi transportate la amplificatorul de înaltă impedanţă de intrare. De obicei acesta este un tranzistor cu efect de cîmp (FET) sau conţine la intrare un asemenea tranzistor.
Detectorii piroelectrici sînt sensibili numai la variaţia fluxului de radiaţie incident. De aceea în faţa detectorului se plasează adesea un chopper optic, un dispozitiv care întrerupe periodic fluxul de radiaţie. În lipsa acestuia detectorul poate surprinde numai mişcarea ţintei sau variaţia temperaturii sale.
În aplicaţii se foloseşte fie un singur detector, fie un şir liniar sau chiar o matrice bidimensională de asemenea sensori. Varianta din urmă, împreună cu optica adecvată, se foloseşte pentru a genera imagini termice în care obiectele mai calde se văd mai strălucitoare, cu diverse aplicaţii posibile.
[modifică] Avantaje
În comparaţie cu detectorii care se bazează pe efectul fotoelectric, detectorii piroelectrici au o serie de avantaje importante:
- sensibilitate într-un interval spectral foarte larg, teoretic întregul spectru electromagnetic, depinzînd numai de absorbţia radiaţiilor în cristal şi în electrozi;
- posibilitatea de a utiliza detectorul într-o gamă largă de temperaturi, de la cîteva grade kelvin pînă la cîteva sute de grade, deci inclusiv la temperatura camerei;
- consum foarte redus de putere electrică;
- timp de răspuns foarte redus, în unele cazuri de numai cîteva picosecunde;
- cost de producţie foarte redus.
Dezavantajul esenţial al detectorilor piroelectrici este sensibilitatea redusă.
[modifică] Bibliografie
- en Sydney B. Lang, „Pyroelectricity: from ancient curiosity to modern imaging tool”, în Physics Today, august 2005, disponibil online.