Піроелектріки - кристалічні. діелектрики, на поверхні яких брало при зміні темп-ри Т виникають електричні. заряди. Поява електричні. зарядів пов'язано зі зміною спонтанної поляризації.
Історична довідка. У поч. 18 в. в Європу були завезені кристали турмаліну ( "цейлонський магніт"), що володіють властивістю при нагріванні чинити силовий вплив на частинки попелу. Ф. У. Т. Епінус (F. U. Th. Aepinus, 1756) встановив причину - освіту на кінцях нагрітого кристала зарядів протилежного знака. Термін "піроелектрика" був введений Д. Брюстером (D. Brewster, 1824). Кельвін (W. Thomson, Lord Kelvin) пов'язав піроелектріч. ефект зі зміною електричні. поляризації при зміні Т. Аккерманн (W. Ackermann, 1915) досліджував піроелектричний ефект в ряді кристалів в широкому інтервалі Т і виявив тенденцію до зменшення піроелектріч. ефекту при зниженні Т. Перша мікроскопіч. теорія створена С. А. Богуславським (1915). Надалі було встановлено, що у сегнетоелектриків величина ефекту досить велика поблизу точки фазового переходу.
Спонтанна поляризація Р0 може існувати тільки при достатньо низькій симетрії кристала. Мати залежить від Т спонтанну поляризацію, т. Е. Бути П. можуть лише кристали, в яких брало є полярне напрямок, що не змінюється при всіх перетвореннях симетрії (полярні діелектрики): уздовж цього напрямку розташовується вектор Р0. Таким полярним напрямком володіють кристали 10 точкових груп симетрії: 1, 2, 3, 4, 6, т. ТТ2. З т. 4ТТ. 6тт (рис. 1). У групах 1 та т нескінченно багато таких напрямків і напрямок Р0 не визначено. В інших групах це осі симетрії.
Мал. 1. Можливі точкові групи симетрії пірозлектріков, показані осі симетрії кристалів.
Спонтанна поляризація проявляється у вигляді пов'язаного заряду в тих місцях кристала, де Р0 залежить від координат:
- об'ємна щільність пов'язаного заряду. Т. о. на поверхні П. виникає пов'язаний поверхневий заряд, щільність догрого дорівнює нормальному компоненту Р0. При цьому всередині кристала і поза ним виникає електричні. поле Е0. У нескінченній пластині, вирізаної перпендикулярно Р0.
У загальному випадку поле Е0 і повна енергія П. залежать від його форми.
У реальному П. поле Е0 всередині і поза ним дорівнює 0 (хоча Р0 зберігається). Причина - електропровідність - вільні заряди, переміщаючись до поверхонь, нейтралізують пов'язаний заряд. Тому піроелектріч. властивості можна спостерігати тільки при досить швидкій зміні темп-ри кристала.
Властивості П. Ур-ня, що зв'язує зміна Р0 і Т. має вигляд: де - піроелектріч. коеф. к-які можна розглядати як компоненти вектора
В П. всіх класів симетрії, крім 1 і т. Вектор направлений вздовж осі симетрії, к-раю є однією з координатних осей (z), т. Е. У групі т вектор лежить в площині симетрії: У групі 1 направленіепроізвольно щодо
координатних осей:
Піроелектріч. коеф. залежить від механич. умов: зразок може бути "вільний" (механічні. напруга відсутня) або "затиснутий", коли зовнішні механічні. напряженіяобеспечівают відсутність механічні. деформацій uij. що виникають за рахунок теплового розширення при зміні Т. При одночасним. зміні Т, Е термодинамич. потенціал Ф кристала (при пост. механіч. напрузі) змінюється на величину
Т. о. піроелектріч. коеф. визначає і зміна ентропії кристала під дією елект. поля:
Це означає, що темп-pa П. знаходиться в стані адіабатіч. ізоляції, при накладенні електричні. поля уздовж полярної осі зміниться на величину
де С - теплоємність кристала при постійних механічні. напрузі і електричні. поле (електрокалоріческій ефект). Зміна Т для лінійних П. с = 10 -4 Кл / м 2 х К і С = 10 3 Дж / кг х К в полях Е
10 6 В / м має порядок 10 -4 К, в сегнетоелектриках 1-10 -2 К.
Все П. є п'езоелектрікамі. тому зміна темп-ри "вільного" кристала, що приводить до його тепловому розширенню або стиску (деформації), викличе додаткову електричні. поляризацію:
Тут eij k - тензор 3-го рангу пьезоелектріч. модулів, ajk - компоненти тензора коеф. теплового розширення, а сумарна поляризація
Тут - коеф. "Первинного", - "вторинного" піроелектріч. ефекту. Для разл. кристалів співвідношення між і варіюється в широких межах: вторинний ефект може перевищувати первинний, мати ін. знак і т. д. "Третинний" піроелектріч. ефект пов'язують зі зміною Р в неоднорідне нагрітому п'єзоелектрик.
Мікроскопічна теорія П. дозволяє з'ясувати природу піроелектріч. ефекту і описати властивості П. заснована на розгляді ангармонізму коливань кристалічної решітки. Температурна залежність піроелектріч. коеф. в області низьких темп-р задовільно описується співвідношенням
Тут - типовий. темп-ри Дебая і Ейнштейна, D і Е - ф-ції Дебая і Ейнштейна, - постійні коеф. (Див. Дебая температура, Ейнштейна температура].
Експериментальні методи. Для вимірювання необхідно визначити величину заряду, що виникає на поверхні кристала певної орієнтації і форми при зміні Т. Для цього зазвичай використовуються плоскопараллельние пластинки, вирізані перпендикулярно полярній осі кристала. Великі поверхні зразка покриваються проводять електродами. Зміна пор. темп-ри кристала на величину призводить до появи на електродах пов'язаного заряду (S - площа електродів) і різниці потенціалів (С - ємність зразка).
Для вимірювання заряду конденсатор К зі зразком поміщається в термостат (рис. 2), темп-pa к-якого може змінюватися. При появі піроелектріч. заряду потенціал точки А змінюється, заряд може бути виміряний електрометром Е.
Мал. 2. Статичний метод визначення піроелектричного коефіцієнта.
Зазвичай електрометрії використовують в якості нуль-індикатора і визначається заряд протилежного знака, за величиною рівний піроелектричного (компенсац. Схема, що складається з батареї Б, потенціометра П і ємності С, перемикача Пр, служить для зміни знака заряду конденсатора). Заряд на конденсаторі Q підбирається так, щоб потенціал точки А дорівнював 0. У цьому випадку Q = Qпіро. В ін. Методі вимірюється піроелектріч. ток I. протікає між обкладинками конденсатора по зовн. ланцюга при безперервному зміні Т зразка (рис. 3). При заданій швидкості зміни темпра dT / dt величина визначається при Ri Re:
Мал. 3. Вимірювання піроелектричного коефіцієнта в "струмовому" режимі.
Піроелектричні матеріали і їх практичне застосування. Типовими П. є турмалін, Li2 SО4 х H2 О. Серед П. особливе місце займають сегнето-електрики, в яких брало температурна область полярної фази обмежена: при підвищенні Т спонтанна поляризація зменшується і зникає в точці фазового переходу Тк. поблизу Тк
і може досягати нескінченно великих значень.
Для практич. цілей важливі П. в яких брало зберігає високі значення в досить широкому інтервалі Т. Ряд сегнетоелектриків задовольняє цій умові; осн. перешкода їх застосування - деполяризація через розбиття кристалів на домени. Використовуються разл. способи збереження в кристалах монодоменного стану: введення в зростаючий кристал домішок, -опромінення в електричні. поле; для кристалів з високими Тк - охолодження при переході через Тк в електричні. поле. При введенні домішок і опроміненні в сегнетоелектриках виникають внутр. поля, що досягають 10 6 В / м. Крім стабілізації монодоменного стану ці поля призводять до "розмиття" фазового переходу, причому область Т. де має аномально високі значення, розширюється. Піроелектрнч. властивостями володіють керамич. сегнетоелектрики, поляризовані електричні. полем, а також нек-риє полімери (табл.).
Піроелектричні властивості деяких матеріалів при Т = 300 К
10 -8 Кл х см -2 До -1
П. використовуються як термоелектріч. перетворювачі. Основою є ніроелектріч. пластина з металеві. електродами, нанесеними на зріз, перпендикулярний полярної осі. На вході - потік променевої енергії, що змінює темп-ру П. на виході - електричні. заряд або напруга. Переваги піроелектріч. перетворювачів - широкий діапазон частот детектіруемих випромінювань. висока чутливість, швидкодія, здатність до роботи при Т
300 К. Піроелектріч. приймачі застосовуються як детектори інфрачервоного випромінювання малої потужності; детектори форми і потужності коротких (10 -5 - 10 -11 с) імпульсів випромінювання; чувствит. датчики в спектро- і радіометрії; пірометри.
Мал. 4. Схема піроелектричного видикона: 1 - піроелектричного мішень; 2 - електронний промінь; 3 - катод; 4 - прискорює анод; 5 - вікно; 6 - сітка-колектор; 7 - фокусують і котушки, що відхиляють.
Особливо перспективно їх застосування для індикації просторового розподілу випромінювань, в т. Ч. В системах візуалізації ІЧ-зображень. Створено піроелектріч. відікони - теплові передавальні телевізійні трубки з піроелектріч. мішенню (рис. 4). З зовн. боку через вікно 5 на мішень 1 у вигляді тонкої (10 - 100 мкм) піроелектріч. пластини (діам. 1820мм) проектується зображення об'єкта; внутр. сторона звернена до зчитувального електронного променю 2. Зображення об'єкта створює на мішені температурний і відповідний йому зарядовий і потенційний рельєф. Цей рельєф модулює струм, що протікає в ланцюзі навантажувального опору при скануванні мішені електронним променем. Створюване струмом напруга управляє яскравістю променя, що відтворює зображення на телевізійному моніторі.
Літ .: Най Дж. Фізичні властивості кристалів, пров. з англ. 2 изд. М. 1967; Желудев І. С. Фізика кристалічних діелектриків. М. 1968; Новик В. К. Гаврилова Н. Д. Фельдман Н. Б. Піроелектричні перетворювачі, М. 1979; Кременчуцький Л. С. Ройціна О. В. Піроелектричні приймальні пристрої, К. тисячі дев'ятсот вісімдесят дві.