Пироэлектрики: свойства, технология, применение

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3
1 ПИРОЭЛЕКТРИКИ 4
2 СВОЙСТВА ПИРОЭЛЕКТРИКОВ 6
3 ПРИМЕНЕНИЕ ПИРОЭЛЕКТРИКОВ 9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 11
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 12

ВВЕДЕНИЕ
Пироэлектрическими материалами (пироэлектриками) называются кристаллические диэлектрические материалы, у которых проявляется пироэлектрический эффект. Для этого эффекта существует обратный ему электрокалорический эффект. Таким образом, пироэлектрические материалы также являются и электрокалорическими.
Пироэлектрический эффект (пироэффект, пироэлектричество) представляет собой явление, заключающееся в возникновении в кристаллических диэлектрических материалах электрического поля при изменении их температуры. Это явление было известно и описано ещё древнегреческими учёными. Его природа была объяснена в 1756 г. русским физиком Ф. У. Т. Эпинусом.
Механизм пироэффекта связан с особым проявлением в пироэлектриках электрической поляризации – состояния, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у каждого элемента объема диэлектрика. Обычные диэлектрики способны поляризоваться только во внешнем электрическом поле. В отличие от них пироэлектрики имеют важную особенность: они обладают электрической поляризацией при отсутствии внешнего электрического поля. Существование такой спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризации приводит к появлению связанного электрического поверхностного заряда на гранях кристалла пироэлектрика и обусловленного ими электрического поля. С учетом указанной особенности пироэлектриков можно дать следующее определение пироэффекта, отражающее его физическую сущность: пироэффект – это изменение спонтанной поляризации диэлектрического кристалла при изменении его температуры, что может быть описано равнением ∆Р = γ∆Т, где γ – пироэлектрический коэффициент, зависящий от природы кристалла, а также от температуры, причем характер температурной зависимости γ может быть различен для разных пироэлектриков.
1 ПИРОЭЛЕКТРИКИВ пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.
Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.
Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.
В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.
Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.
Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.
Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.
2 СВОЙСТВА ПИРОЭЛЕКТРИКОВ
К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом.
Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектрика при изменении его температуры.
Уравнение пироэлектрического эффекта имеет вид:
-dPсп= dT, где Рсп - спонтанная поляризованность диэлектрика;
- пироэлектрический коэффициент.
При неизменной температуре спонтанный электрический момент скомпенсирован. Иэменение спонтанной поляризованности сопровождается освобождением зарядов на поверхности диэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает ток:
где S -площадь поверхности диэлектрика, dT/dt - скорость изменения температуры.
Пироэлектрический коэффициент учитывает нарушение упорядоченности в расположении элементарных дипольных моментов (истинный пироэффект) и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную изменением линейных размеров (вторичный пироэффект) при изменении температуры диэлектрика.
Спонтанная поляризованность зависит от температуры Рсп = А(Тк -Т)1/2, где А - некоторая постоянная для данного материала.
Отсюда следует, по мере приближения к температуре фазового перехода Тк пироэлектрический коэффициент возрастает:
Пироэлектрическими свойствами обладают все сегнетоэлектрики в монодоменизированном состоянии.
Наиболее стабильными пироэлектрическими свойствами обладают кристаллы ниобата и танталата лития, которые ввиду очень малого tg и высокого удельного сопротивления отличается малым уровнем шумов и поэтому имеет высокую чувствительность на высоких частотах.
Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (например, турмалин, сульфат лития) и все сегнетоэлектрические материалы в монодоменизированном состоянии, для которого характерна одинаковая ориентация спонтанной поляризованности всех доменов. Значительный пироэффект в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приёмников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.
Специфическим свойством пироэлектрических фотоприёмников является отсутствие избирательности по спектру излучения. Существенное преимущество их состоит в том, что они не требуют охлаждения при детектировании излучения даже в далекой инфракрасной области спектра. Они обладают достаточно высоким быстродействием (способны работать в частотном интервале до 10 МГц), однако по чувствительности уступают полупроводниковым фотоприёмникам.
Максимальное проявление пироэлектрического эффекта наблюдают в сегнетоэлектриках с точкой Кюри, близкой к комнатной температуре. К их числу относятся кристаллы ниобата бария-стронция SrxBa1-xNb2O6 и триглицинсульфата. Повышенной чувствительностью на высоких частотах характеризуются кристаллы ниобата LiNbO3 и танталата LiTaO3 лития. Пиро- и пьезоэлектрические свойства обнаружены у некоторых полимеров, в частности, у поляризованных плёнок поливинилденфторида и поливинилденхлорида, отличающихся простотой технологии изготовления, невысокой стоимостью и малой инерционностью пироэффекта на высоких частотах.
3 ПРИМЕНЕНИЕ ПИРОЭЛЕКТРИКОВ
Пироэлектрические материалы находят широкое применение в качестве сенсорных устройств различного назначения, детекторов и приемников излучений, датчиков теплометрических приборов. Используется главным образом их основное свойство - любой вид радиации, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соответствующее изменение поляризации. Для плоскопараллельного образца с поверхностью S и направлением спонтанной поляризации, перпендикулярным этой поверхности, нагревание на малую величину dT приведет к изменению связанного заряда на поверхности на dq.
Если поверхности S покрыты проводящими электродами и эти электроды соединены проводником, по нему будет протекать ток
Таким образом, на входе такого преобразователя имеем поток радиации любого вида, вызывающий периодическое изменение температуры образца (периодичность может быть обеспечена искусственной модуляцией интенсивности излучения), а на выходе - электрический ток или заряд, изменяющиеся с соответствующей частотой. К числу преимуществ пироэлектрических приемников излучения относятся широкий (практически неограниченный) диапазон частот детектируемой радиации, высокая чувствительность, быстродействие, способность к работе в области повышенных температур. Особенно перспективно применение пироэлектрических приемников в области частот ИК-диапазона. Они практически решают проблему детектирования потоков тепловой энергии малой мощности; измерения формы и мощности коротких (10- 5-10-11 с) импульсов лазерного излучения; чувствительного контактного и бесконтактного измерения температуры (чувствительность пироэлектрических термометров достигает 10- 6 К).
В настоящее время широко обсуждается возможность применения пироэлектриков для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую: переменный (с частотой w) поток лучистой энергии вызывает переменный ток во внешней цепи пироэлектрического элемента. Хотя КПД подобного устройства уступает имеющимся способам преобразования энергии, для некоторых специальных применений данный способ преобразования является конкурентоспособным.
Особенно интересна уже реализованная возможность использования пироэлектрического эффекта для индикации пространственного распределения излучений в системах визуализации ИК-изображений (темновидение). Созданы пироэлектрические видиконы - тепловые передающие телевизионные трубки с пироэлектрической мишенью. Изображение теплого объекта проецируется на мишень, создавая на ней соответствующий зарядовый и потенциальный рельеф, который считывается при сканировании мишени электронным пучком. Создаваемое током электронного пучка электрическое напряжение управляет далее яркостью луча, воспроизводящего изображение объекта на телевизионном экране.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность пироэлектрика из его объёма и из окружающего воздуха.
При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами.
Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при механической деформации. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Существование спонтанной поляризации, другими словами несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Струков Б.А. Сегнетоэлектричество в кристаллах и жидких кристаллах: природа явления, фазовые переходы, нетрадиционные состояния вещества // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 81-89.
2. Струков Б.А. Фазовые переходы в сегнетоэлектрических кристаллах с дефектами// Соросовский Образовательный Журнал. № 12. С. 95-101.
3. Струков Б.А., Леванюк А.Р. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах. М.: Физматлит, 1995.
4. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики: Основные свойства и применения в электронике. М.: Радио и связь, 1989.
5. Новик В.К., Гаврилова Н.Д. и др. Пироэлектрические преобразователи. М.: Сов. радио, 1979.
6. Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.
7. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.