Piroelettricità: scoperta, basi fisiche e applicazioni

Storia delle scoperte

La leggenda narra che le prime registrazioni di piroelettricità furono fatte dall'antico filosofo e botanico greco Teofrasto nel 314 a.C. Secondo questi documenti, Teofrasto una volta notò che i cristalli del minerale tormalina, una volta riscaldati, cominciavano ad attrarre pezzi di cenere e paglia. Molto più tardi, nel 1707, il fenomeno della piroelettricità fu riscoperto dall'incisore tedesco Johann Schmidt.

Esiste un'altra versione, secondo la quale la scoperta della piroelettricità è attribuita al famoso filosofo e viaggiatore greco antico Talete di Mileto, che, secondo questa versione, fece la scoperta all'inizio del VI secolo a.C. N. E. Viaggiando nei paesi orientali, Talete prese appunti su minerali e astronomia.

Indagando sulla capacità dell'ambra strofinata di attrarre cannucce e verso il basso, è stato in grado di interpretare scientificamente il fenomeno dell'elettrificazione per attrito. Platone avrebbe poi descritto questa storia nel dialogo Timeo.Dopo Platone, già nel X secolo, il filosofo persiano Al-Biruni nella sua opera "Mineralogia" descrisse proprietà simili dei cristalli di granato.

La connessione tra la piroelettricità dei cristalli e altri fenomeni elettrici simili sarebbe stata dimostrata e sviluppata nel 1757, quando Franz Epinus e Johann Wilke iniziarono a studiare la polarizzazione di alcuni materiali mentre si sfregavano l'uno contro l'altro.

Dopo 127 anni, il fisico tedesco August Kundt mostrerà un vivido esperimento in cui riscalderà un cristallo di tormalina e lo verserà attraverso un setaccio con una miscela di piombo rosso e polveri di zolfo. Lo zolfo sarà caricato positivamente e il piombo rosso caricato negativamente, con il risultato che il piombo rosso rosso-arancio colora un lato del cristallo di tormalina e l'altro lato coperto di un brillante giallo-grigio. August Kund ha quindi raffreddato la tormalina, la "polarità" del cristallo è cambiata ei colori si sono scambiati di posto. Il pubblico era felicissimo.

L'essenza del fenomeno è che quando la temperatura del cristallo di tormalina cambia solo di 1 grado, nel cristallo appare un campo elettrico di circa 400 volt per centimetro. Nota che la tormalina, come tutti i piroelettrici, è entrambe le cose piezoelettrico (a proposito, non tutti i piezoelettrici sono piroelettrici).

Fondamenti fisici

Fisicamente, il fenomeno della piroelettricità è definito come la comparsa di un campo elettrico nei cristalli a causa di una variazione della loro temperatura. Il cambiamento di temperatura può essere causato da riscaldamento diretto, attrito o irraggiamento. Questi cristalli includono dielettrici con polarizzazione spontanea (spontanea) in assenza di influenze esterne.

La polarizzazione spontanea di solito non viene notata perché il campo elettrico che crea è compensato dal campo elettrico delle cariche libere che vengono applicate al cristallo dall'aria circostante e dalla massa del cristallo. Quando la temperatura del cristallo cambia, cambia anche l'entità della sua polarizzazione spontanea, che porta alla comparsa di un campo elettrico, che si osserva prima che si verifichi la compensazione con cariche libere.

Un cambiamento nella polarizzazione spontanea dei piroelettrici può essere avviato non solo da un cambiamento della loro temperatura, ma anche da una deformazione meccanica. Ecco perché tutti i piroelettrici sono anche piezoelettrici, ma non tutti i piezoelettrici sono piroelettrici.La polarizzazione spontanea, cioè la mancata corrispondenza dei centri di gravità delle cariche negative e positive all'interno del cristallo, è spiegata dalla bassa simmetria naturale del cristallo.

Applicazioni della piroelettricità

Oggi i piroelettrici sono utilizzati come dispositivi di rilevamento per vari scopi, come parte di ricevitori e rilevatori di radiazioni, termometri, ecc. Tutti questi dispositivi sfruttano una proprietà chiave dei piroelettrici: qualsiasi tipo di radiazione che agisce sul campione provoca un cambiamento nella temperatura del campione e un corrispondente cambiamento nella sua polarizzazione. Se in questo caso la superficie del campione è ricoperta da elettrodi conduttivi e questi elettrodi sono collegati tramite fili al circuito di misurazione, allora una corrente elettrica scorrerà attraverso questo circuito.

E se c'è un flusso di qualsiasi tipo di radiazione all'ingresso di un convertitore piroelettrico, che provoca fluttuazioni nella temperatura del piroelettrico (la periodicità si ottiene, ad esempio, mediante modulazione artificiale dell'intensità della radiazione), allora viene generata una corrente elettrica ottenuto in uscita, che cambia anch'esso con una certa frequenza .

I vantaggi dei rilevatori di radiazioni piroelettriche includono: una gamma infinitamente ampia di frequenze di radiazioni rilevate, alta sensibilità, alta velocità, stabilità termica. L'uso di ricevitori piroelettrici nella regione dell'infrarosso è particolarmente promettente.

In realtà risolvono il problema di rilevare flussi di energia termica a bassa potenza, misurare la potenza e la forma di brevi impulsi laser e misurare la temperatura senza contatto e di contatto altamente sensibile (con precisione microgradi).

Oggi si discute seriamente della possibilità di utilizzare il piroelettrico per convertire direttamente l'energia termica in energia elettrica: un flusso alternato di energia radiante genera una corrente alternata nel circuito esterno di un elemento piroelettrico. E sebbene l'efficienza di un tale dispositivo sia inferiore ai metodi di conversione dell'energia esistenti, tuttavia per alcune applicazioni speciali questo metodo di conversione è abbastanza accettabile.

La possibilità già utilizzata di utilizzare l'effetto piroelettrico per visualizzare la distribuzione spaziale della radiazione nei sistemi di imaging a infrarossi (visione notturna, ecc.) è particolarmente promettente. Creato vidicon piroelettrici - tubi televisivi che trasmettono calore con un bersaglio piroelettrico.

L'immagine di un oggetto caldo viene proiettata su un bersaglio, costruendo su di esso il corrispondente rilievo della carica, che viene letto da un fascio di elettroni a scansione. La tensione elettrica creata dalla corrente del fascio di elettroni controlla la luminosità del raggio che dipinge l'immagine dell'oggetto sullo schermo.