Pyrosähkö – löytö, fyysinen perusta ja sovellukset

Löytöjen historia

Legendan mukaan ensimmäiset tiedot pyrosähköisyydestä teki antiikin kreikkalainen filosofi ja kasvitieteilijä Theophrastus vuonna 314 eaa. Näiden asiakirjojen mukaan Theophrastus huomasi kerran, että turmaliinimineraalien kiteet alkoivat kuumennettaessa vetää puoleensa tuhkan ja oljen palasia. Paljon myöhemmin, vuonna 1707, saksalainen kaivertaja Johann Schmidt löysi uudelleen pyrosähköisyyden ilmiön.

On olemassa toinen versio, jonka mukaan pyrosähkön löytö johtuu kuuluisasta antiikin kreikkalaisesta filosofista ja matkustajasta Thales of Miletosta, joka tämän version mukaan teki löydön 6. vuosisadan alussa eKr. N. E. Matkustaa itämaihin Thales teki muistiinpanoja mineraaleista ja tähtitiedestä.

Tutkimalla hierotun meripihkan kykyä vetää olkia ja alaspäin, hän pystyi tieteellisesti tulkitsemaan kitkan sähköistymisen ilmiötä. Platon kuvaili myöhemmin tätä tarinaa Timaiuksen dialogissa.Platonin jälkeen jo 10. vuosisadalla persialainen filosofi Al-Biruni kuvaili teoksessaan "Mineralogia" granaattikiteiden samanlaisia ​​ominaisuuksia.

Kiteiden pyrosähköisyyden ja muiden vastaavien sähköilmiöiden välinen yhteys todistettaisiin ja kehitettäisiin vuonna 1757, kun Franz Epinus ja Johann Wilke alkoivat tutkia tiettyjen materiaalien polarisaatiota niiden hieroessa toisiaan vasten.

127 vuoden kuluttua saksalainen fyysikko August Kundt näyttää elävän kokeen, jossa hän lämmittää turmaliinikiteen ja kaada sen seulan läpi punaisten lyijy- ja rikkijauheiden seoksella. Rikki on positiivisesti varautunut ja punainen lyijy negatiivisesti varautunut, jolloin punainen-oranssi punainen lyijy värjää turmaliinikiteen toiselta puolelta ja toinen puoli peittyy kirkkaan kelta-harmaalla. August Kund jäähdytti sitten turmaliinia, kristallin "napaisuus" muuttui ja värit vaihtoivat paikkaa. Yleisö oli iloinen.

Ilmiön ydin on, että kun turmaliinikiteen lämpötila muuttuu vain 1 asteen, kiteen syntyy noin 400 voltin sähkökenttä senttimetriä kohti. Huomaa, että turmaliini, kuten kaikki pyrosähköiset tuotteet, on molempia pietsosähköinen (muuten, kaikki pietsosähköiset eivät ole pyrosähköisiä).

Fyysiset perusteet

Fysikaalisesti pyrosähköisyyden ilmiö määritellään sähkökentän ilmaantumiseksi kiteisiin niiden lämpötilan muutoksen vuoksi. Lämpötilan muutos voi johtua suorasta kuumenemisesta, kitkasta tai säteilystä. Nämä kiteet sisältävät eristeitä, joilla on spontaani (spontaani) polarisaatio ulkoisten vaikutusten puuttuessa.

Spontaania polarisaatiota ei yleensä havaita, koska sen synnyttämää sähkökenttää kompensoi vapaiden varausten sähkökenttä, jotka ympäröivä ilma ja suurin osa kiteestä kohdistavat kiteeseen. Kun kiteen lämpötila muuttuu, myös sen spontaanin polarisaation suuruus muuttuu, mikä johtaa sähkökentän ilmestymiseen, joka havaitaan ennen kuin kompensaatio vapailla varauksilla tapahtuu.

Muutos pyrosähköisten materiaalien spontaanissa polarisaatiossa voi käynnistyä paitsi niiden lämpötilan muutoksella, myös mekaanisella muodonmuutoksella. Siksi kaikki pyrosähköiset ovat myös pietsosähköisiä, mutta kaikki pietsosähköiset eivät ole pyrosähköisiä Spontaani polarisaatio eli kiteen sisällä olevien negatiivisten ja positiivisten varausten painopisteiden epäsuhta selittyy kiteen alhaisella luonnollisella symmetrialla.

Pyrosähkön sovellukset

Nykyään pyrosähköisiä käytetään anturilaitteina eri tarkoituksiin, osana säteilyvastaanottimia ja -ilmaisimia, lämpömittareita jne. Kaikki nämä laitteet hyödyntävät pyroelektriikan keskeistä ominaisuutta – kaikenlainen näytteeseen vaikuttava säteily aiheuttaa muutoksen näytteen lämpötilassa ja vastaavan muutoksen sen polarisaatiossa. Jos tässä tapauksessa näytteen pinta on peitetty johtavilla elektrodeilla ja nämä elektrodit on kytketty johtimilla mittauspiiriin, sähkövirta kulkee tämän piirin läpi.

Ja jos pyrosähköisen muuntimen sisäänmenossa virtaa kaikenlaista säteilyä, joka aiheuttaa vaihteluita pyrosähköisen lämpötilassa (jaksollisuus saadaan esimerkiksi säteilyn intensiteetin keinotekoisella modulaatiolla), niin sähkövirta on saadaan ulostulossa, joka myös muuttuu tietyllä taajuudella .

Pyrosähköisten säteilyilmaisimien etuja ovat: äärettömän laaja ilmaistun säteilyn taajuusalue, korkea herkkyys, suuri nopeus, lämpöstabiilisuus. Pyrosähköisten vastaanottimien käyttö infrapuna-alueella on erityisen lupaavaa.

Ne itse asiassa ratkaisevat pienitehoisten lämpöenergiavirtojen havaitsemisen, lyhyiden laserpulssien tehon ja muodon mittaamisen sekä erittäin herkän kosketuksettoman ja kosketuslämpötilan mittauksen (mikroasteen tarkkuudella).

Nykyään keskustellaan vakavasti mahdollisuudesta käyttää pyrosähköjä lämpöenergian muuttamiseksi suoraan sähköenergiaksi: säteilyenergian vaihtovirta tuottaa vaihtovirran pyrosähköisen elementin ulkoiseen piiriin. Ja vaikka tällaisen laitteen hyötysuhde on alhaisempi kuin olemassa olevat energian muunnosmenetelmät, on kuitenkin joissakin erikoissovelluksissa tämä muunnosmenetelmä varsin hyväksyttävä.

Erityisen lupaava on jo käytetty mahdollisuus käyttää pyrosähköistä vaikutusta säteilyn tilajakauman visualisointiin infrapunakuvausjärjestelmissä (pimeänäkö jne.). Luotiin pyrosähköisiä vidikoneja - lämpöä läpäiseviä televisioputkia, joissa on pyrosähköinen kohde.

Lämpimän esineen kuva projisoidaan kohteeseen, rakentaen siihen vastaavan varauksen helpotuksen, joka luetaan pyyhkäisevällä elektronisuihkulla. Elektronisuihkuvirran luoma sähköjännite ohjaa säteen kirkkautta, joka maalaa kohteen kuvan näytölle.