Министерство образования Республики Беларусь
Белорусский государственный университет
Факультет радиофизики и компьютерных технологий
Реферат
Пироэлектричество
Выполнил:
Студент 2 курса 7 группы
Гуцева Марина Дмитриевна
Преподаватель:
Евчик Вячеслав Евгеньевич
Минск 2023
Оглавление
Введение
1. Физика пироэлектрических явлений
1.1 Пироэлектрики, спонтанная поляризация
1.2 Полярные искажения кристаллических структур пироэлектриков
1.3 Два типа пироэлектриков, спонтанная поляризация которых связана со смещением или упорядочением структурных элементов
1.4 Спонтанная поляризация, равенство Ps=
2. Методы измерения пироэлектрического эффекта
2.1 Статический метод
2.2 Квазистатический метод
2.3 Динамический метод
2.4 Сопоставление динамических и статических методов
3. Пироэлектрические материалы
3.1 Характеристики пироэлектрических материалов
3.2 Пироэлектрические материалы
3.2.1 Пироэлектрические монокристаллы
3.2.2 Пироэлектрическая керамика
3.2.3 Пироэлектрические полимеры
3.2.4 Пироэлектрические стеклокерамика и композиты
3.2.5 Пироэлектрические пленки
3.3 Применение пироэлектриков
Заключение
Список литературы
Введение
пироэлектрик поляризация кристаллический структура
Пироэлектрический эффект относится к широкому классу термоэлектрических явлений, проявляющихся внешне как электризация диэлектриков при изменении их температуры. Из других термоэлектрических явлений пироэлектрический эффект выделяется тем, что причина электризации непосредственно связана с температурными изменениями полярных искажений кристаллической структуры диэлектриков, проявляющих этот эффект.
Пироэлектрические явления известны почти так же давно, как и электризация трением. Наблюдения электризации, проявляющейся в притяжении легких тел некоторыми нагреваемыми кристаллическими диэлектриками (например, турмалином), описаны в древнегреческих, римских и средневековых источниках. Название эффекту «пироэлектрический», которое используется и в настоящее время, было дано в 1824 году Д. Брюстером Это название происходит от греческого рйсп, что переводится как огонь. То есть, «пироэлектричество» означает электричество, возбуждаемое изменением температуры.
Долго считалось, что пироэлектрический эффект слаб и не имеет практической ценности. Поэтому исследования пироэлектрических явлений вплоть до средины 20-го века развивались сравнительно медленно. До 19-го века они ограничивались, в основном, качественным описанием наблюдаемых явлений.
Повышение научного и практического интереса к пироэлектрикам привело к резкому росту темпов и результативности их исследований. Получила существенное развитие экспериментальная техника изучения пироэлектрического эффекта. Выявлено и изучено большое число различных новых веществ, проявляющих пироэффект. Разработаны методы синтеза пироэлектриков различных типов в виде: монокристаллов, керамики, стеклокерамики, полимеров, композитов, толстых и тонких пленок. Накоплен обширный экспериментальный материал по структуре и свойствам пироэлектриков. Развиты феноменологические и микроскопические теории, объясняющие различные аспекты пироэлектрических явлений. Освоены промышленные технологии получения коммерчески доступных пироэлектрических материалов, проявляющих высокую пироэлектрическую активность. Перечисленные достижения сделали возможным широкомасштабное производство недорогих, эффективных пироэлектрических преобразователей для широкого круга коммерческих и промышленных применений, в частности, для использования их в военной и космической технике, медицине, научном приборостроении и других областях науки и техники.
1. Физика пироэлектрических явлений
Пироэлектрический эффект -- это способность некоторых кристаллов генерировать электрический заряд при изменении температуры. Явление пироэлектричества похоже на пьезоэлектрическое явление, при котором электрический заряд создается на поверхности кристалла при механическом сжатии. В отличие от термоэлектрического эффекта для возникновения пироэффекта не требуется температурный градиент, достаточно нагрева всего кристалла. Пироэлектрические эффекты можно увидеть только на кристаллах, которые являются хорошими диэлектриками. После стабилизации температуры кристалл постепенно разряжается из-за утечки заряда.
1.1 Пироэлектрики, спонтанная поляризация
К пироэлектрикам относят кристаллы, характеризуемые отличным от нуля вектором спонтанной электрической поляризации , под которой подразумевают поляризацию, существующую в кристаллах при отсутствии электрического поля, механического напряжения и других внешних воздействий.
В направлении ориентации , пироэлектрический кристалл проявляет электрические полюса, то есть в этом направлении противоположные грани кристалла заряжены разноименно. Поэтому такие кристаллы часто называют полярными. Отметим, что имеется некоторая неоднозначность в использовании термина «полярный», так как этот же термин применяется и к обозначению молекул, имеющих отличный от нуля электрический дипольный момент. Полярными называют также кристаллы, состоящие из полярных молекул, при этом наличие в них спонтанной поляризации не обязательно. Кроме того, название «полярный» широко используется как синоним термина «ионный» кристалл, независимо от того, является он пироэлектриком или нет.
1.2 Полярные искажения кристаллических структур пироэлектриков
Природа спонтанной поляризации в пироэлектриках носит микроскопический характер. Она непосредственно связана с наличием таких полярных искажений кристаллической структуры, при которых центры тяжести зарядов разноименных ионов в элементарной ячейке не совпадают друг с другом. Поэтому каждая элементарная ячейка обладает отличным от нуля электрическим дипольным моментом даже в отсутствии внешних электрических и механических воздействий. Спонтанная поляризация представляется при этом в виде суммы дипольных моментов элементарных ячеек , содержащихся в единице объема кристалла.
1.3 Два типа пироэлектриков, спонтанная поляризация которых связана со смещением или упорядочением структурных элементов
Выделяют две группы пироэлектриков с разными механизмами возникновения спонтанной поляризации. В одной из них искажения структуры, вызывающие возникновение спонтанной поляризации, обусловлены смещениями определенных ионов из симметричных позиций, направление в них совпадает с направлением этих смещений. В типичных примерах таких пироэлектриков спонтанная поляризация возникает благодаря смещениям катионов титан (Ti), ниобий (Nb), тантал (Ta) и других из центров окружающих их кислородных октаэдров.
В пироэлектриках другого типа возникновение спонтанной поляризации вызвано перераспределением определенных заряженных элементов структуры по имеющимся у них двум или более положениям равновесия. Например, водород с зарядом e в водородных связях в KH2PO4 (KDP) имеет два устойчивых положения равновесия.
1.4 Спонтанная поляризация, равенство Ps=
Макроскопическая спонтанная поляризация кристалла в приближении точечных зарядов ионов посредством формулы
( - объем элементарной ячейки, суммирование ведется по зарядам , принадлежащим к выбранной элементарной ячейке) может быть выражена через микроскопические параметры. В случае кристаллов, спонтанная поляризация которых возникает в результате перераспределения заселенностей атомов по имеющимся у них двум или более положениям равновесия, величина спонтанной поляризации равна
где - усредненный по объему кристалла дипольный момент элементарной ячейки.
На поверхности кристалла заряды диполей не компенсируются, поэтому она оказывается заряженной c отличной от нуля плотностью поверхностных зарядов . Представляя дипольный момент пластины, вырезанной перпендикулярно , с одной стороны как
а с другой как
(V - объем пластины, d - толщина пластины, A - площадь ее базисной поверхности, Q - заряд на поверхности), получим равенство
из которого следует, что
То есть модуль спонтанной поляризации равен модулю плотности связанных поверхностных зарядов, имеющихся на поверхности пластины пироэлектрика, вырезанной перпендикулярно направлению спонтанной поляризации. Таким образом, внешнее проявление состоит в возникновении связанных зарядов на поверхности пироэлектрика, плотность этих зарядов является количественной мерой спонтанной поляризации.
Изменение и возникновение электрических зарядов на гранях кристалла вызываются небольшими изменениями с температурой полярных структурных искажений, определяющих наличие в кристалле спонтанной поляризации. Такие изменения происходят за время, близкое по порядку величины к периоду колебаний атомов, что обусловливает малую инерционность процесса изменения с температурой.
2. Методы измерения пироэлектрического эффекта
Качественные методы основаны на наблюдении электростатического взаимодействия пироэлектрических зарядов, возникающих при изменении температуры пироэлектрика. Эти взаимодействия проявляются в притяжении или отталкивании двух одинаковых кристаллов, в притяжении металлического стержня и полярной грани кристалла, в изменении периода колебаний нагреваемого кристалла в поле воздушного конденсатора и т. п.
Количественные методы определения пироэлектрического коэффициента делятся на три основные группы - статические, квазистатические и динамические.
2.1 Статический метод
В этом методе электрометром измеряется электростатический заряд q, возникающий на полярных гранях кристалла при быстром изменении его температуры от стабилизированного значения к стабилизированному значению . Если скорость изменения температуры кристалла достаточно велика и его тепловая постоянная такая, что изменение температуры образца происходит намного быстрее утечки с него зарядов, то пироэлектрический коэффициент:
Статический метод дает прямое определение величины пироэлектрической постоянной, однако, измерения этим методом становятся весьма трудоемкими при необходимости измерений в широком интервале температур для множества установившихся дискретных значений температуры.
2.2 Квазистатический метод
В квазистатическом методе измеряют напряжение V, возникающее на гранях пироэлектрического образца, или ток в цепи образец-измерительная схема при непрерывном изменении его температуры с заданной скоростью dT/dt (обычно 1-4 град/мин). При таком методе измерения пироэлектрический коэффициент определяется следующим образом:
Основные погрешности метода обусловлены возможным градиентом температуры в образце, точностью измерения скорости изменения температуры, возможным наличием дополнительных вкладов непироэлектрической природы в измеряемый сигнал термостимулированных токов, электретных эффектов и др. Так называемые термостимулированные токи возникают при повышении температуры кристаллов с дефектами, они обусловлены перераспределением зарядов на дефектах. Термостимулированные токи наблюдаются в кристаллах практически всех диэлектриков, в том числе и в центросимметричных кристаллах, в которых пироэлектрический эффект запрещен симметрией. Вклад этих токов необходимо учитывать при выделении из общего измеряемого тока пироэлектрической составляющей.
Существенной отличительной особенностью пироэлектрического тока, связанного с изменением спонтанной поляризации образца, является зависимость его знака от направления изменения температуры образца. Сравнение знаков и абсолютных значений токов, измеренных соответственно в режимах нагрева и охлаждения образца, позволяет определить величину вкладов в измеряемый ток токов непироэлектрической природы.
2.3 Динамический метод
Рис. 1. Возникновение переменного поверхностного заряда на пироэлектрике при модуляции его температуры
Рис. 2. Функциональная схема установки для измерения пироэлектрического эффекта динамическим методом (К - пироэлектрический образец, Ф - падающий поток излучения, М - модулятор, ПУ - предварительный усилитель, СД - синхронный детектор, И - индикатор, ЗГ - звуковой генератор, П - переключатель, Ra1, Ra2 - нагрузочные сопротивления, Ra1Cg<<1, Ra2Cg>>1
При измерении пироэлектрического эффекта динамическим методом температура поверхности образца, покрытого тонким электропроводящим слоем поглощающей излучение черни, варьируется в небольших пределах (?T<0,1K) падающим на нее модулированным потоком теплового излучения Ф(t). Средняя температура всего образца может при этом непрерывно изменяться или поддерживаться постоянной. Импульсный нагрев поверхности пироэлектрического образца возбуждает в нем распространяющиеся тепловые колебания. В результате на электродах образца возникают колебания поверхностной плотности заряда с частотой, равной частоте модуляции теплового потока, падающего на образец. Эти колебания заряда формируют переменный пироэлектрический сигнал. Для расчета пироэлектрического коэффициента pу по измерениям пироэлектрического сигнала динамическим методом необходимо знать особенности пространственно-временного распределения температуры в образце пироэлектрика. Это распределение определяется из дифференциальных уравнений теплопроводности, учитывающих баланс получаемой и отдаваемой образцом теплоты