Pyroelektrizität - Pyroelectricity

Nicht zu verwechseln mit Thermoelektrizität , einem anderen thermischen Effekt mit einem anderen Mechanismus.
Pyroelektrischer Sensor

Pyroelektrizität (von den beiden griechischen Wörtern pyr bedeutet Feuer und Elektrizität ) ist eine Eigenschaft bestimmter Kristalle, die von Natur aus elektrisch polarisiert sind und daher große elektrische Felder enthalten. Pyroelektrizität kann als die Fähigkeit bestimmter Materialien beschrieben werden, eine temporäre Spannung zu erzeugen, wenn sie erwärmt oder gekühlt werden. Die Temperaturänderung verändert die Positionen der Atome innerhalb der Kristallstruktur geringfügig , so dass sich die Polarisation des Materials ändert. Diese Polarisationsänderung führt zu einer Spannung am Kristall. Wenn die Temperatur auf ihrem neuen Wert konstant bleibt, verschwindet die pyroelektrische Spannung aufgrund des Leckstroms allmählich . Die Leckage kann auf Elektronen zurückzuführen sein, die sich durch den Kristall bewegen, auf Ionen, die sich durch die Luft bewegen, oder auf Strom, der durch ein am Meter angebrachtes Voltmeter austritt .

Erläuterung

Die Pyroelektrizität kann als eine Seite eines Dreiecks dargestellt werden, wobei jede Ecke Energiezustände im Kristall darstellt: kinetische , elektrische und thermische Energien. Die Seite zwischen elektrischen und thermischen Ecken repräsentiert den pyroelektrischen Effekt und erzeugt keine kinetische Energie . Die Seite zwischen kinetischen und elektrischen Ecken repräsentiert den piezoelektrischen Effekt und erzeugt keine Wärme .

Die pyroelektrische Ladung in Mineralien entwickelt sich auf den gegenüberliegenden Seiten asymmetrischer Kristalle. Die Richtung, in die die Ausbreitung der Ladung tendiert, ist normalerweise in einem pyroelektrischen Material konstant, aber in einigen Materialien kann diese Richtung durch ein nahe gelegenes elektrisches Feld geändert werden. Diese Materialien sollen Ferroelektrizität aufweisen . Alle bekannten pyroelektrischen Materialien sind auch piezoelektrisch . Obwohl neuartige Materialien wie Boraluminiumnitrid (BAlN) und Borgalliumnitrid (BGaN) pyroelektrisch sind, haben sie bei bestimmten Zusammensetzungen keine piezoelektrische Reaktion auf Dehnung entlang der c-Achse, wobei die beiden Eigenschaften eng miteinander verbunden sind. Es ist jedoch zu beachten, dass einige piezoelektrische Materialien eine Kristallsymmetrie aufweisen, die keine Pyroelektrizität zulässt.

Pyroelektrische Materialien sind meist hart und Kristalle, jedoch kann durch Verwendung von Elektreten eine weiche Pyroelektrizität erreicht werden .

Die Pyroelektrizität wird als Änderung der Nettopolarisation (ein Vektor) proportional zu einer Änderung der Temperatur gemessen. Der bei konstanter Spannung gemessene pyroelektrische Gesamtkoeffizient ist die Summe der pyroelektrischen Koeffizienten bei konstanter Dehnung (primärer pyroelektrischer Effekt) und des piezoelektrischen Beitrags der Wärmeausdehnung (sekundärer pyroelektrischer Effekt). Unter normalen Umständen zeigen selbst polare Materialien kein Netto-Dipolmoment. Infolgedessen gibt es keine elektrischen Dipoläquivalente von Stabmagneten, da das intrinsische Dipolmoment durch "freie" elektrische Ladung neutralisiert wird, die sich durch interne Leitung oder aus der Umgebungsatmosphäre auf der Oberfläche aufbaut. Polare Kristalle zeigen ihre Natur nur dann, wenn sie auf eine Weise gestört werden, die das Gleichgewicht mit der kompensierenden Oberflächenladung vorübergehend stört.

Die spontane Polarisation ist temperaturabhängig, daher ist eine gute Störungssonde eine Temperaturänderung, die einen Ladungsfluss zu und von den Oberflächen induziert. Dies ist der pyroelektrische Effekt. Alle polaren Kristalle sind pyroelektrisch, daher werden die 10 polaren Kristallklassen manchmal als pyroelektrische Klassen bezeichnet. Pyroelektrische Materialien können als Strahlungsdetektoren für Infrarot- und Millimeterwellenlängen verwendet werden.

Ein Elektret ist das elektrische Äquivalent eines Permanentmagneten.

Mathematische Beschreibung

Der pyroelektrische Koeffizient kann als Änderung des spontanen Polarisationsvektors mit der Temperatur beschrieben werden:

wobei p i (Cm −2 K −1 ) der Vektor für den pyroelektrischen Koeffizienten ist.

Geschichte

Der erste Hinweis auf den pyroelektrischen Effekt findet sich in Schriften von Theophrast (ca. 314 v. Chr.), Der feststellte, dass Lyngourion , Turmalin , beim Erhitzen Sägemehl oder Strohstücke anziehen könnte. Die Eigenschaften des Turmalins wurden 1707 von Johann Georg Schmidt wiederentdeckt , der feststellte, dass der Stein nur heiße und keine kalte Asche anzog. 1717 bemerkte Louis Lemery , wie Schmidt es getan hatte, dass kleine Reste nichtleitenden Materials zuerst vom Turmalin angezogen wurden, dann aber von ihm abgestoßen wurden, sobald sie den Stein kontaktierten. 1747 bezog Linnaeus das Phänomen erstmals auf Elektrizität (er nannte Turmalin Lapidem Electricum , "den elektrischen Stein"), obwohl dies erst 1756 von Franz Ulrich Theodor Aepinus bewiesen wurde .

Die Erforschung der Pyroelektrizität wurde im 19. Jahrhundert komplexer. 1824 gab Sir David Brewster dem Effekt den Namen, den er heute hat. Sowohl William Thomson im Jahr 1878 als auch Woldemar Voigt im Jahr 1897 halfen bei der Entwicklung einer Theorie für die Prozesse hinter der Pyroelektrizität. Pierre Curie und sein Bruder Jacques Curie studierten in den 1880er Jahren Pyroelektrizität und entdeckten so einige der Mechanismen, die hinter Piezoelektrizität stehen.

Kristallklassen

Alle Kristallstrukturen gehören zu einer von zweiunddreißig Kristallklassen, basierend auf der Anzahl der Rotationsachsen und Reflexionsebenen , die die Kristallstruktur unverändert lassen ( Punktgruppen ). Von den zweiunddreißig Kristallklassen sind einundzwanzig nicht zentrosymmetrisch (ohne Symmetriezentrum ). Von diesen einundzwanzig weisen zwanzig eine direkte Piezoelektrizität auf , die verbleibende ist die kubische Klasse 432. Zehn dieser zwanzig piezoelektrischen Klassen sind polar, dh sie besitzen eine spontane Polarisation, haben einen Dipol in ihrer Elementarzelle und weisen eine Pyroelektrizität auf. Wenn dieser Dipol durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgekehrt werden kann, spricht man von ferroelektrischem Material . Jedes dielektrische Material entwickelt eine dielektrische Polarisation (Elektrostatik), wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Eine Substanz, die auch ohne Feld eine solche natürliche Ladungstrennung aufweist, wird als polares Material bezeichnet. Ob ein Material polar ist oder nicht, wird allein durch seine Kristallstruktur bestimmt. Nur 10 der 32 Punktgruppen sind polar. Alle polaren Kristalle sind pyroelektrisch, daher werden die zehn polaren Kristallklassen manchmal als pyroelektrische Klassen bezeichnet.

Piezoelektrische Kristallklassen: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

Pyroelektrisch: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm

Verwandte Effekte

Zwei Effekte, die eng mit der Pyroelektrizität zusammenhängen, sind Ferroelektrizität und Piezoelektrizität . Normalerweise sind Materialien auf makroskopischer Ebene nahezu elektrisch neutral. Die positiven und negativen Ladungen, aus denen das Material besteht, sind jedoch nicht unbedingt symmetrisch verteilt. Wenn die Summe der Ladungszeiten für alle Elemente der Basiszelle nicht gleich Null ist, hat die Zelle ein elektrisches Dipolmoment (eine Vektorgröße). Das Dipolmoment pro Volumeneinheit ist als dielektrische Polarisation definiert. Wenn sich dieses Dipolmoment mit dem Effekt der angelegten Temperaturänderungen, des angelegten elektrischen Feldes oder des angelegten Drucks ändert, ist das Material pyroelektrisch, ferroelektrisch bzw. piezoelektrisch.

Der ferroelektrische Effekt wird von Materialien gezeigt, die in Abwesenheit eines von außen angelegten elektrischen Feldes eine elektrische Polarisation besitzen, so dass die Polarisation umgekehrt werden kann, wenn das elektrische Feld umgekehrt wird. Da alle ferroelektrischen Materialien eine spontane Polarisation aufweisen, sind alle ferroelektrischen Materialien auch pyroelektrisch (aber nicht alle pyroelektrischen Materialien sind ferroelektrisch).

Der piezoelektrische Effekt wird von Kristallen (wie Quarz oder Keramik) gezeigt, bei denen beim Anlegen von Druck eine elektrische Spannung über dem Material auftritt. Ähnlich wie beim pyroelektrischen Effekt beruht das Phänomen auf der asymmetrischen Struktur der Kristalle, die es Ionen ermöglicht, sich leichter entlang einer Achse als die anderen zu bewegen. Wenn Druck ausgeübt wird, nimmt jede Seite des Kristalls eine entgegengesetzte Ladung an, was zu einem Spannungsabfall über dem Kristall führt.

Pyroelektrizität sollte nicht mit Thermoelektrizität verwechselt werden : Bei einer typischen Demonstration der Pyroelektrizität wird der gesamte Kristall von einer Temperatur zur anderen geändert, und das Ergebnis ist eine vorübergehende Spannung über dem Kristall. Bei einer typischen Demonstration der Thermoelektrizität wird ein Teil des Geräts auf einer Temperatur und der andere Teil auf einer anderen Temperatur gehalten, und das Ergebnis ist eine permanente Spannung am Gerät, solange ein Temperaturunterschied besteht. Beide Effekte wandeln die Temperaturänderung in elektrisches Potential um, aber der pyroelektrische Effekt wandelt die Temperaturänderung über die Zeit in elektrisches Potential um, während der thermoelektrische Effekt die Temperaturänderung mit der Position in elektrisches Potential umwandelt .

Pyroelektrische Materialien

Obwohl künstliche pyroelektrische Materialien hergestellt wurden, wurde der Effekt erstmals bei Mineralien wie Turmalin entdeckt . Der pyroelektrische Effekt ist auch in Knochen und Sehnen vorhanden .

Das wichtigste Beispiel ist Galliumnitrid , ein Halbleiter. Die großen elektrischen Felder in diesem Material wirken sich nachteilig auf Leuchtdioden (LEDs) aus, sind jedoch für die Herstellung von Leistungstransistoren nützlich.

Bei der Herstellung künstlicher pyroelektrischer Materialien, üblicherweise in Form eines dünnen Films, unter Verwendung von Galliumnitrid ( Ga N ), Cäsiumnitrat ( Cs N O 3 ), Polyvinylfluoriden , Derivaten von Phenylpyridin und Kobaltphthalocyanin wurden Fortschritte erzielt . Lithiumtantalat ( Li Ta O 3 ) ist ein Kristall mit sowohl piezoelektrischen als auch pyroelektrischen Eigenschaften, der zur Erzeugung einer Kernfusion im kleinen Maßstab (" pyroelektrische Fusion ") verwendet wurde. Kürzlich wurden pyroelektrische und piezoelektrische Eigenschaften in dotiertem Hafniumoxid ( Hf O 2 ) entdeckt, das ein Standardmaterial bei der CMOS- Herstellung ist.

Anwendungen

Wärmesensoren

Sehr kleine Temperaturänderungen können ein pyroelektrisches Potential erzeugen. Passive Infrarotsensoren werden häufig um pyroelektrische Materialien herum entwickelt, da die Wärme eines Menschen oder Tieres aus mehreren Fuß Entfernung ausreicht, um eine Spannung zu erzeugen.

Energieerzeugung

Ein Pyroelektrikum kann wiederholt erwärmt und gekühlt werden (analog zu einer Wärmekraftmaschine ), um nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. Eine Gruppe berechnete, dass ein Pyroelektrikum in einem Ericsson-Zyklus 50% der Carnot-Effizienz erreichen könnte , während eine andere Studie ein Material fand, das theoretisch 84-92% der Carnot-Effizienz erreichen könnte (diese Effizienzwerte gelten für das Pyroelektrikum selbst, ignoriert dies) Verluste durch Erhitzen und Kühlen des Substrats , andere Wärmeübertragungsverluste und alle anderen Verluste an anderer Stelle im System). Mögliche Vorteile von pyroelektrischen Generatoren zur Stromerzeugung (im Vergleich zur herkömmlichen Wärmekraftmaschine plus elektrischem Generator ) sind: möglicherweise niedrigere Betriebstemperaturen , weniger sperrige Geräte und weniger bewegliche Teile. Obwohl einige Patente für eine solche Vorrichtung angemeldet wurden, scheinen solche Generatoren der Kommerzialisierung nicht nahe zu sein.

Kernfusion

Hauptartikel: Pyroelektrische Fusion

Pyroelektrische Materialien wurden verwendet, um große elektrische Felder zu erzeugen, die erforderlich sind, um Deuteriumionen in einem Kernfusionsprozess zu steuern . Dies ist als pyroelektrische Fusion bekannt .

Siehe auch

Verweise

Externe Links