Πυροηλεκτρισμός — Ανακάλυψη, Φυσική Βάση και Εφαρμογές

Ιστορία των ανακαλύψεων

Ο θρύλος λέει ότι οι πρώτες καταγραφές πυροηλεκτρισμού έγιναν από τον αρχαίο Έλληνα φιλόσοφο και βοτανολόγο Θεόφραστο το 314 π.Χ. Σύμφωνα με αυτά τα αρχεία, ο Θεόφραστος παρατήρησε κάποτε ότι οι κρύσταλλοι του ορυκτού τουρμαλίνης, όταν θερμανθούν, άρχισαν να προσελκύουν κομμάτια στάχτης και άχυρου. Πολύ αργότερα, το 1707, το φαινόμενο του πυροηλεκτρισμού ανακαλύφθηκε ξανά από τον Γερμανό χαράκτη Johann Schmidt.

Υπάρχει και μια άλλη εκδοχή, σύμφωνα με την οποία η ανακάλυψη του πυροηλεκτρισμού αποδίδεται στον διάσημο αρχαίο Έλληνα φιλόσοφο και περιηγητή Θαλή του Μιλήτου, ο οποίος, σύμφωνα με αυτή την εκδοχή, έκανε την ανακάλυψη στις αρχές του 6ου αιώνα π.Χ. Β. Ε. Ταξιδεύοντας στις ανατολικές χώρες, ο Θαλής έκανε σημειώσεις για τα ορυκτά και την αστρονομία.

Διερευνώντας την ικανότητα του τριμμένου κεχριμπαριού να έλκει άχυρα και προς τα κάτω, μπόρεσε να ερμηνεύσει επιστημονικά το φαινόμενο της ηλεκτροδότησης από την τριβή. Ο Πλάτων θα περιέγραψε αργότερα αυτή την ιστορία στον διάλογο του Τίμαου.Μετά τον Πλάτωνα, ήδη από τον 10ο αιώνα, ο Πέρσης φιλόσοφος Al-Biruni στο έργο του «Ορυκτολογία» περιέγραψε παρόμοιες ιδιότητες των κρυστάλλων γρανάτης.

Η σύνδεση μεταξύ του πυροηλεκτρισμού των κρυστάλλων και άλλων παρόμοιων ηλεκτρικών φαινομένων θα αποδειχτεί και θα αναπτυχθεί το 1757, όταν ο Franz Epinus και ο Johann Wilke άρχισαν να μελετούν την πόλωση ορισμένων υλικών καθώς τρίβονταν μεταξύ τους.

Μετά από 127 χρόνια, ο Γερμανός φυσικός August Kundt θα δείξει ένα ζωντανό πείραμα στο οποίο θα θερμάνει έναν κρύσταλλο τουρμαλίνης και θα τον χύνει μέσα από ένα κόσκινο με ένα μείγμα από κόκκινο μόλυβδο και σκόνες θείου. Το θείο θα φορτιστεί θετικά και ο κόκκινος μόλυβδος φορτισμένο αρνητικά, με αποτέλεσμα ο κόκκινος-πορτοκαλί κόκκινος μόλυβδος να χρωματίζει τη μία πλευρά του κρυστάλλου τουρμαλίνης και την άλλη πλευρά να καλύπτεται σε ένα έντονο κίτρινο-γκρι. Στη συνέχεια ο August Kund ψύξε την τουρμαλίνη, η «πολικότητα» του κρυστάλλου άλλαξε και τα χρώματα άλλαξαν θέσεις. Το κοινό ενθουσιάστηκε.

Η ουσία του φαινομένου είναι ότι όταν η θερμοκρασία του κρυστάλλου της τουρμαλίνης αλλάζει μόνο κατά 1 βαθμό, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο περίπου 400 βολτ ανά εκατοστό στον κρύσταλλο. Σημειώστε ότι η τουρμαλίνη, όπως όλα τα πυροηλεκτρικά, είναι και τα δύο πιεζοηλεκτρικό (παρεμπιπτόντως, δεν είναι όλα τα πιεζοηλεκτρικά πυροηλεκτρικά).

Φυσικά θεμέλια

Φυσικά, το φαινόμενο του πυροηλεκτρισμού ορίζεται ως η εμφάνιση ηλεκτρικού πεδίου στους κρυστάλλους λόγω αλλαγής της θερμοκρασίας τους. Η αλλαγή της θερμοκρασίας μπορεί να προκληθεί από άμεση θέρμανση, τριβή ή ακτινοβολία. Αυτοί οι κρύσταλλοι περιλαμβάνουν διηλεκτρικά με αυθόρμητη (αυθόρμητη) πόλωση απουσία εξωτερικών επιρροών.

Η αυθόρμητη πόλωση συνήθως δεν παρατηρείται επειδή το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί αντισταθμίζεται από το ηλεκτρικό πεδίο των ελεύθερων φορτίων που εφαρμόζονται στον κρύσταλλο από τον περιβάλλοντα αέρα και από το μεγαλύτερο μέρος του κρυστάλλου. Όταν η θερμοκρασία του κρυστάλλου αλλάζει, αλλάζει και το μέγεθος της αυθόρμητης πόλωσής του, γεγονός που οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο παρατηρείται πριν συμβεί αντιστάθμιση με ελεύθερα φορτία.

Μια αλλαγή στην αυθόρμητη πόλωση των πυροηλεκτρικών μπορεί να ξεκινήσει όχι μόνο από μια αλλαγή στη θερμοκρασία τους, αλλά και από μηχανική παραμόρφωση. Γι' αυτό όλα τα πυροηλεκτρικά είναι επίσης πιεζοηλεκτρικά, αλλά δεν είναι όλα τα πιεζοηλεκτρικά πυροηλεκτρικά.Η αυθόρμητη πόλωση, δηλαδή η αναντιστοιχία των κέντρων βάρους των αρνητικών και θετικών φορτίων μέσα στον κρύσταλλο, εξηγείται από τη χαμηλή φυσική συμμετρία του κρυστάλλου.

Εφαρμογές πυροηλεκτρισμού

Σήμερα, τα πυροηλεκτρικά χρησιμοποιούνται ως αισθητήρες για διάφορους σκοπούς, ως μέρος δεκτών και ανιχνευτών ακτινοβολίας, θερμομέτρων κ.λπ. Όλες αυτές οι συσκευές εκμεταλλεύονται μια βασική ιδιότητα των πυροηλεκτρικών - οποιοσδήποτε τύπος ακτινοβολίας που ενεργεί στο δείγμα προκαλεί μια αλλαγή στη θερμοκρασία του δείγματος και μια αντίστοιχη αλλαγή στην πόλωσή του. Εάν σε αυτή την περίπτωση η επιφάνεια του δείγματος καλύπτεται με αγώγιμα ηλεκτρόδια και αυτά τα ηλεκτρόδια συνδέονται με καλώδια στο κύκλωμα μέτρησης, τότε ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα διαρρέει αυτό το κύκλωμα.

Και εάν υπάρχει ροή οποιουδήποτε είδους ακτινοβολίας στην είσοδο ενός πυροηλεκτρικού μετατροπέα, η οποία προκαλεί διακυμάνσεις στη θερμοκρασία του πυροηλεκτρικού (η περιοδικότητα λαμβάνεται, για παράδειγμα, με τεχνητή διαμόρφωση της έντασης της ακτινοβολίας), τότε ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι που λαμβάνεται στην έξοδο, η οποία επίσης αλλάζει με μια ορισμένη συχνότητα.

Τα πλεονεκτήματα των πυροηλεκτρικών ανιχνευτών ακτινοβολίας περιλαμβάνουν: ένα απείρως ευρύ φάσμα συχνοτήτων ανιχνευόμενης ακτινοβολίας, υψηλή ευαισθησία, υψηλή ταχύτητα, θερμική σταθερότητα. Η χρήση πυροηλεκτρικών δεκτών στην υπέρυθρη περιοχή είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρα.

Στην πραγματικότητα λύνουν το πρόβλημα της ανίχνευσης ροών θερμικής ενέργειας χαμηλής ισχύος, της μέτρησης της ισχύος και του σχήματος των σύντομων παλμών λέιζερ και της εξαιρετικά ευαίσθητης μέτρησης θερμοκρασίας χωρίς επαφή και επαφής (με ακρίβεια μικροβαθμών).

Σήμερα, συζητείται σοβαρά η δυνατότητα χρήσης πυροηλεκτρικών για την απευθείας μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια: μια εναλλασσόμενη ροή ακτινοβολούμενης ενέργειας δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα ενός πυροηλεκτρικού στοιχείου. Και παρόλο που η απόδοση μιας τέτοιας συσκευής είναι χαμηλότερη από τις υπάρχουσες μεθόδους μετατροπής ενέργειας, για ορισμένες ειδικές εφαρμογές αυτή η μέθοδος μετατροπής είναι αρκετά αποδεκτή.

Η ήδη χρησιμοποιούμενη δυνατότητα χρήσης του πυροηλεκτρικού φαινομένου για την οπτικοποίηση της χωρικής κατανομής της ακτινοβολίας σε συστήματα υπέρυθρης απεικόνισης (νυχτερινή όραση κ.λπ.) είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρα. Δημιούργησε πυροηλεκτρικά vidicons — τηλεοπτικοί σωλήνες μετάδοσης θερμότητας με πυροηλεκτρικό στόχο.

Η εικόνα ενός θερμού αντικειμένου προβάλλεται σε έναν στόχο, χτίζοντας πάνω του την αντίστοιχη ανακούφιση του φορτίου, η οποία διαβάζεται από μια δέσμη ηλεκτρονίων σάρωσης. Η ηλεκτρική τάση που δημιουργείται από το ρεύμα της δέσμης ηλεκτρονίων ελέγχει τη φωτεινότητα της δέσμης που ζωγραφίζει την εικόνα του αντικειμένου στην οθόνη.