ПИРОЭЛЕКТРИКИ


ПИРОЭЛЕКТРИКИ
ПИРОЭЛЕКТРИКИ

       
кристаллич диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, т. е. поляризацией в отсутствии электрич. поля и др. внеш. воздействий. Спонтанная поляризация — результат несовпадения «центров тяжести» положит. и отрицат. зарядов.
ПИРОЭЛЕКТРИКИ
Обычно наблюдается не сама спонтанная поляризация Р (она компенсируется полями свободных электрич. зарядов, натекающих на поверхность П. изнутри и извне), а её изменение DР при быстром изменении темп-ры DT (пироэлектрич. эффект). Плотность возникающего поверхностного заряда s=рDT наз. пироэлектрической константой р. Типичный П.— турмалин; в нём при изменении темп-ры на 1°С возникает электрич. поле Е =400 В/см. П. могут быть лишь нецентросимметричные кристаллы. Изменение поляризации в П. может происходить и под действием механич. напряжений (пьезоэлектрич. эффект). Все П. явл. пьезоэлектриками, но не наоборот; нек-рые П. обладают сегнетоэлектрич. св-вами (рис.).
П. используются в технике в кач-ве индикаторов и приёмников излучений.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

ПИРОЭЛЕКТРИКИ

- кристаллич. диэлектрики, наповерхности к-рых при изменении темп-ры Т возникают электрич. заряды. <Появление электрич. зарядов связано с изменением спонтанной поляризации.
Историческая справка. В нач. 18 в. в Европубыли завезены кристаллы турмалина ("цейлонский магнит"), обладающие свойствомпри нагревании оказывать силовое воздействие на частицы пепла. Ф. У. Т. <Эпинус (F. U. Th. Aepinus, 1756) установил причину - образование на концахнагретого кристалла зарядов противоположного знака. Термин "пироэлектричество"был введён Д. Брюстером (D. Brewster, 1824). Кельвин (W. Thomson, LordKelvin) связал пироэлектрич. эффект с изменением электрич. поляризациипри изменении Т. Аккерманн (W. Ackermann, 1915) исследовал пироэлектрическийэффект в ряде кристаллов в широком интервале Т и обнаружил тенденциюк убыванию пироэлектрич. эффекта при понижении Т. Первая микроскопич. <теория создана С. А. Богуславским (1915). В дальнейшем было установлено, <что у сегнетоэлектриков величина эффекта весьма велика вблизи точкифазового перехода.

Спонтанная поляризация Р0 может существовать только при достаточно низкой симметрии кристалла. Иметьзависящую от Т спонтанную поляризацию, т. е. быть П., могут лишькристаллы, в к-рых есть полярное направление, не изменяющееся при всехпреобразованиях симметрии (полярные диэлектрики): вдоль этого направлениярасполагается вектор Р0. Таким полярным направлениемобладают кристаллы 10 точечных групп симметрии:1, 2, 3, 4, 6, т, тт2, З т, 4 тт, 6 тт (рис. 1). В группах 1 и т бесконечно много таких направлений и направление Р0 не предопределено. В остальных группах это оси симметрии.

15047-14.jpg

Рис. 1. Возможные точечные группы симметриипирозлектриков, показаны оси симметрии кристаллов.

Спонтанная поляризация проявляется в видесвязанного заряда в тех местах кристалла, где Р0 зависит от координат:

15047-15.jpg

15047-16.jpg- объёмная плотность связанного заряда. Т. о., на поверхности П. возникаетсвязанный поверхностный заряд, плотность к-рого равна нормальной компоненте Р0.При этом внутри кристалла и вне его возникает электрич. поле Е0.В бесконечной пластине, вырезанной перпендикулярно Р0,

15047-17.jpg

В общем случае поле Е0 иполная энергия П. зависят от его формы.
В реальном П. поле Е0 внутрии вне его равно 0 (хотя Р0 сохраняется). Причина- электропроводность - свободные заряды, перемещаясь к поверхностям, нейтрализуютсвязанный заряд. Поэтому пироэлектрич. свойства можно наблюдать толькопри достаточно быстром изменении темп-ры кристалла.
Свойства П. Ур-ние, связывающее изменение Р0 и Т, имеет вид:15047-18.jpgгде 15047-19.jpg - пироэлектрич. <коэф., к-рые можно рассматривать как компоненты вектора 15047-20.jpg
В П. всех классов симметрии, кроме 1 и т, вектор 15047-21.jpg направленвдоль оси симметрии, к-рая является одной из координатных осей (z),т. е.15047-22.jpgВ группе т вектор 15047-23.jpgлежит в плоскости симметрии:15047-24.jpgВ группе 1 направление 15047-25.jpgпроизвольноотносительно
координатных осей:15047-26.jpg
Пироэлектрич. коэф.15047-27.jpgзависит от механич. условий: образец может быть "свободен" (механич. напряжениеотсутствует) либо "зажат", когда внешние механич. напряжения 15047-28.jpgобеспечиваютотсутствие механич. деформаций uij, возникающих за счёттеплового расширения при изменении Т. При одноврем. изменении Т, <Е термодинамич. потенциал Ф кристалла (при пост. механич. напряжении)изменяется на величину

15047-29.jpg

где S - энтропия кристалла. Т. к. Р i=- (дф/дЕ) Т, S = - (дФ/дТ) Еi, д 2 Ф/дTдEi= д 2 Ф/дЕ i дТ, то

15047-30.jpg

Т. о., пироэлектрич. коэф. определяет иизменение энтропии кристалла под действием электрич. поля:

15047-31.jpg

Это означает, что темп-pa П., находящегосяв состоянии адиабатич. изоляции, при наложении электрич. поля вдоль полярнойоси изменится на величину

15047-32.jpg

где С - теплоёмкость кристалла припостоянных механич. напряжении и электрич. поле ( электрокалорическийэффект). Изменение Т для линейных П. с 15047-33.jpg= 10-4 Кл/м 2 х К и С =103 Дж/кг х К в полях Е~ 106 В/м имеет порядок 10-4 К, в сегнетоэлектриках 1-10-2 К.
Все П. являются пъезоэлектриками, поэтомуизменение темп-ры "свободного" кристалла, приводящее к его тепловому расширениюили сжатию (деформации), вызовет добавочную электрич. поляризацию:

15047-34.jpg

Здесь eijk- тензор 3-го ранга пьезоэлектрич. модулей, ajk- компоненты тензора коэф. теплового расширения, а суммарная поляризация

15047-35.jpg

Здесь 15047-36.jpg- коэф. "первичного",15047-37.jpg- "вторичного" пироэлектрич. эффекта. Для разл. кристаллов соотношениемежду 15047-38.jpgи 15047-39.jpg варьируетсяв широких пределах: вторичный эффект может превышать первичный, иметь др. <знак и т. д. "Третичный" пироэлектрич. эффект связывают с изменением Рв неоднородно нагретом пьезоэлектрике.
Микроскопическая теория П., позволяющаявыяснить природу пироэлектрич. эффекта и описать свойства П., основанана рассмотрении ангармонизма колебаний кристаллической решётки. Температурнаязависимость пироэлектрич. коэф. в области низких темп-р удовлетворительноописывается соотношением

15047-40.jpg

Здесь 15047-41.jpg15047-42.jpg- характеристич. темп-ры Дебая и Эйнштейна, D и Э - ф-ции Дебаяи Эйнштейна,15047-43.jpg15047-44.jpg- постоянные коэф. (см. Дебая температура, Эйнштейна температура].
Экспериментальные методы. Для измерения 15047-45.jpgнеобходимо определить величину заряда, возникающего на поверхности кристаллаопределённой ориентации и формы при изменении Т. Для этого обычноиспользуются плоскопараллельные пластинки, вырезанные перпендикулярно полярнойоси кристалла. Большие поверхности образца покрываются проводящими электродами. <Изменение ср. темп-ры кристалла на величину 15047-46.jpgприводит к появлению на электродах связанного заряда 15047-47.jpg(S- площадь электродов) и разности потенциалов 15047-48.jpg( С-ёмкость образца).
Для измерения заряда конденсатор К с образцомпомещается в термостат (рис. 2), темп-pa к-рого может изменяться. При появлениипироэлектрич. заряда потенциал точки А изменяется, заряд может бытьизмерен электрометром Э.

15047-49.jpg

Рис. 2. Статический метод определения пироэлектрическогокоэффициента.

Обычно электрометр используют в качественуль-индикатора и определяется заряд противоположного знака, по величинеравный пироэлектрическому (компенсац. схема, состоящая из батареи Б, потенциометраП и ёмкости С, переключателя Пр, служит для изменения знака заряда конденсатора).Заряд на конденсаторе Q подбирается так, чтобы потенциал точки . былравен 0. В этом случае Q =15047-50.jpgQ пиро. Вдр. методе измеряется пироэлектрич. ток I, протекающий между обкладкамиконденсатора по внеш. цепи при непрерывном изменении Т образца (рис.3). При заданной скорости изменения темпры dT/dt величина 15047-51.jpgопределяется при Ri15047-52.jpgRe:

15047-53.jpg
15047-54.jpg

Рис. 3. Измерение пироэлектрического коэффициентав "токовом" режиме.

Пироэлектрические материалы и их практическоеприменение. Типичными П. являются турмалин, Li24 х H2 О. Среди П. особое место занимают сегнето-электрики, в к-рыхтемпературная область полярной фазы ограничена: при повышении Т спонтаннаяполяризация уменьшается и исчезает в точке фазового перехода Т к. Вблизи Т к

15047-55.jpg

и может достигать бесконечно больших значений.
Для практич. целей важны П., в к-рых 15047-56.jpgсохраняет высокие значения в достаточно широком интервале Т. Рядсегнетоэлектриков удовлетворяет этому условию; осн. препятствие их применения- деполяризация из-за разбиения кристаллов на домены. Используются разл. <способы сохранения в кристаллах монодоменного состояния: введение в растущийкристалл примесей,15047-57.jpg -облучениев электрич. поле; для кристаллов с высокими Т к - охлаждениепри переходе через Т к в электрич. поле. При введениипримесей и облучении в сегнетоэлектриках возникают внутр. поля, достигающие106 В/м. Помимо стабилизации монодоменного состояния эти поляприводят к "размытию" фазового перехода, причём область Т, где имеетаномально высокие значения, расширяется. Пироэлектрнч. свойствами обладаюткерамич. сегнетоэлектрики, поляризованные электрич. полем, а также нек-рыеполимеры (табл.).

Пироэлектрические свойства некоторыхматериалов при Т=300 К

Турмалин Li2SO4 х H2O
15047-58.jpg10-8 Кл х см -2 К -1
0,04 0,8
15047-59.jpg
2,5 2,1 0,4 0,5
15047-60.jpg
0,615047-61.jpg5,0

3,5 - 17 2,3

15047-62.jpg
0,3 0,01

П. используются как термоэлектрич. преобразователи. <Основой является нироэлектрич. пластина с металлич. электродами, нанесённымина срез, перпендикулярный полярной оси. На входе - поток лучистой энергии, <изменяющий темп-ру П., на выходе - электрич. заряд или напряжение. Преимуществапироэлектрич. преобразователей - широкий диапазон частот детектируемыхизлучений, высокая чувствительность, быстродействие, способность к работепри Т~300 К. Пироэлектрич. приёмники применяются как детекторы ИК-излучениямалой мощности; детекторы формы и мощности коротких (10-5 -10-11 с) импульсов излучения; чувствит. датчики в спектро- ирадиометрии; пирометры.

15047-63.jpg

Рис. 4. Схема пироэлектрического видикона:1- пироэлектрическая мишень; 2 - электронный луч;3 - катод;4 - ускоряющий анод;5 - окно; 6 - сетка-коллектор;7 - фокусирующие и отклоняющие катушки.

Особенно перспективно их применение дляиндикации пространственного распределения излучений, в т. ч. в системахвизуализации ИК-изображений. Созданы пироэлектрич. видиконы - тепловыепередающие телевизионные трубки с пироэлектрич. мишенью (рис. 4). С внеш. <стороны через окно 5 на мишень 1 в виде тонкой (10 - 100 мкм) пироэлектрич. <пластины (диам. 1815047-64.jpg20мм)проецируется изображение объекта; внутр. сторона обращена к считывающемуэлектронному лучу 2. Изображение объекта создаёт на мишени температурныйи соответствующий ему зарядовый и потенциальный рельеф. Этот рельеф модулируетток, протекающий в цепи нагрузочного сопротивления при сканировании мишениэлектронным лучом. Создаваемое током напряжение управляет яркостью луча, <воспроизводящего изображение на телевизионном мониторе.

Лит.: Най Дж., Физические свойствакристаллов, пер. с англ., 2 изд., М., 1967; Желудев И. С., Физика кристаллическихдиэлектриков, М., 1968; Новик В. К., Гаврилова Н. Д., Фельдман Н. Б., Пироэлектрическиепреобразователи, М., 1979; Кременчугский Л. С., Ройцина О. В., Пироэлектрическиеприемные устройства, К., 1982.

Б. А. Струков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ПИРОЭЛЕКТРИКИ" в других словарях:

  • ПИРОЭЛЕКТРИКИ — (от греческого pyr огонь), кристаллы, на поверхности которых при изменении температуры появляются электрические заряды. Все пироэлектрики пьезоэлектрики (обратное неверно), некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами (смотри …   Современная энциклопедия

  • ПИРОЭЛЕКТРИКИ — (от греч. pyr огонь) кристаллические диэлектрики, на поверхности которых при изменении температуры появляются электрические заряды. Пироэлектриками могут быть лишь нецентросимметричные кристаллы. Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками (но не …   Большой Энциклопедический словарь

  • Пироэлектрики — (от греческого pyr огонь), кристаллы, на поверхности которых при изменении температуры появляются электрические заряды. Все пироэлектрики пьезоэлектрики (обратное неверно), некоторые пироэлектрики  обладают сегнетоэлектрическими свойствами… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • ПИРОЭЛЕКТРИКИ — электрические заряды противоположных знаков, возникающие на гранях некоторых кристаллов (пироэлектриков) при их нагревании или охлаждении. Типичный П. турмалин. Появление зарядов на поверхности П. связано с изменением существующей в нём… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Пироэлектрики — (от греч. pýr огонь)         кристаллические Диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, т. е. поляризацией в отсутствии внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация П. не заметна, так как электрическое поле,… …   Большая советская энциклопедия

  • пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, на поверхности которых при изменении температуры появляются электрические заряды. Пироэлектриками могут быть лишь нецентросимметричные кристаллы. Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками (но не обратно), некоторые… …   Энциклопедический словарь

  • Пироэлектрики — (от др. греч. πῦρ  огонь)  кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Содержание 1 Явление …   Википедия

  • ПИРОЭЛЕКТРИКИ — (от греч. руг огонь), кристаллич. диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией P(дипольным моментом единицы объема) в отсутствие электрич. поля и др. внеш. воздействий. Обычно наблюдается не сама поляризация (она компенсируется полями своб.… …   Химическая энциклопедия

  • ПИРОЭЛЕКТРИКИ — кристаллич. диэлектрики, на поверхности к рых при изменении темп ры появляются электрич. заряды. П. могут быть лишь нецентросимметричные кристаллы. Все П. являются пьезоэлектриками (но не обратно), нек рые П. обладают сегнетоэлектрич. свойствами… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Пироэлектричество — Пироэлектричество  явление возникновения электрического поля в кристаллах при изменении их температуры. Первое упоминание о пироэлектрическом эффекте содержится в записках Теофрастуса, датированных 314 г. до н. э., который… …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.