Piroeletricidade - Descoberta, Base Física e Aplicações

História das descobertas

Diz a lenda que os primeiros registros de piroeletricidade foram feitos pelo antigo filósofo e botânico grego Teofrasto em 314 aC. Segundo esses registros, Teofrasto certa vez notou que cristais do mineral turmalina, quando aquecidos, começavam a atrair pedaços de cinzas e palha. Muito mais tarde, em 1707, o fenômeno da piroeletricidade foi redescoberto pelo gravador alemão Johann Schmidt.

Existe outra versão, segundo a qual a descoberta da piroeletricidade é atribuída ao famoso filósofo e viajante grego antigo Tales de Mileto, que, segundo esta versão, fez a descoberta no início do século VI aC. N. E. Viajando para os países orientais, Thales fez anotações sobre minerais e astronomia.

Ao investigar a capacidade do âmbar atritado de atrair canudos e para baixo, ele conseguiu interpretar cientificamente o fenômeno da eletrificação por fricção. Platão mais tarde descreveria essa história no diálogo Timeu.Depois de Platão, já no século 10, o filósofo persa Al-Biruni em sua obra "Mineralogia" descreveu propriedades semelhantes dos cristais de granada.

A conexão entre a piroeletricidade dos cristais e outros fenômenos elétricos semelhantes seria comprovada e desenvolvida em 1757, quando Franz Epinus e Johann Wilke começaram a estudar a polarização de certos materiais ao se esfregarem.

Após 127 anos, o físico alemão August Kundt mostrará um experimento vívido em que aquecerá um cristal de turmalina e o despejará em uma peneira com uma mistura de chumbo vermelho e pós de enxofre. O enxofre será carregado positivamente e o chumbo vermelho carregado negativamente, resultando no chumbo vermelho-alaranjado colorindo um lado do cristal de turmalina e o outro lado coberto por um cinza-amarelo brilhante. August Kund então esfriou a turmalina, a "polaridade" do cristal mudou e as cores trocaram de lugar. O público ficou encantado.

A essência do fenômeno é que, quando a temperatura do cristal de turmalina muda em apenas 1 grau, um campo elétrico de cerca de 400 volts por centímetro aparece no cristal. Observe que a turmalina, como todos os piroelétricos, é piezoelétrico (aliás, nem todos os piezoelétricos são piroelétricos).

Fundamentos físicos

Fisicamente, o fenômeno da piroeletricidade é definido como o aparecimento de um campo elétrico em cristais devido a uma mudança em sua temperatura. A mudança de temperatura pode ser causada por aquecimento direto, fricção ou radiação. Esses cristais incluem dielétricos com polarização espontânea (espontânea) na ausência de influências externas.

A polarização espontânea geralmente não é percebida porque o campo elétrico que ela cria é compensado pelo campo elétrico de cargas livres que são aplicadas ao cristal pelo ar circundante e pelo volume do cristal. Quando a temperatura do cristal muda, a magnitude de sua polarização espontânea também muda, o que leva ao aparecimento de um campo elétrico, que é observado antes que ocorra a compensação com cargas livres.

Uma mudança na polarização espontânea dos piroelétricos pode ser iniciada não apenas por uma mudança em sua temperatura, mas também por deformação mecânica. É por isso que todos os piroelétricos também são piezelétricos, mas nem todos os piezoelétricos são piroelétricos.A polarização espontânea, ou seja, a incompatibilidade dos centros de gravidade das cargas negativas e positivas dentro do cristal, é explicada pela baixa simetria natural do cristal.

Aplicações da piroeletricidade

Hoje, os piroelétricos são usados ​​como dispositivos de detecção para diversos fins, como parte de receptores e detectores de radiação, termômetros, etc. Todos esses dispositivos exploram uma propriedade chave da piroeletricidade – qualquer tipo de radiação agindo na amostra causa uma mudança na temperatura da amostra e uma mudança correspondente em sua polarização. Se, neste caso, a superfície da amostra for coberta com eletrodos condutores e esses eletrodos forem conectados por fios ao circuito de medição, uma corrente elétrica fluirá por este circuito.

E se houver um fluxo de qualquer tipo de radiação na entrada de um conversor piroelétrico, o que causa flutuações na temperatura do piroelétrico (a periodicidade é obtida, por exemplo, pela modulação artificial da intensidade da radiação), então uma corrente elétrica é obtido na saída, que também muda com uma certa frequência.

As vantagens dos detectores de radiação piroelétricas incluem: uma faixa infinitamente ampla de frequências de radiação detectada, alta sensibilidade, alta velocidade, estabilidade térmica. O uso de receptores piroelétricos na região do infravermelho é particularmente promissor.

Na verdade, eles resolvem o problema de detectar fluxos de energia térmica de baixa potência, medindo a potência e a forma de pulsos curtos de laser e medição de temperatura sem contato e de contato altamente sensível (com precisão de micrograu).

Hoje, discute-se seriamente a possibilidade de usar piroelétricos para converter diretamente energia térmica em energia elétrica: um fluxo alternado de energia radiante gera uma corrente alternada no circuito externo de um elemento piroelétrico. E embora a eficiência de tal dispositivo seja menor do que os métodos de conversão de energia existentes, ainda assim, para algumas aplicações especiais, esse método de conversão é bastante aceitável.

A possibilidade já utilizada de usar o efeito piroelétrico para visualizar a distribuição espacial da radiação em sistemas de imagem infravermelha (visão noturna, etc.) é particularmente promissora. Vidicons piroelétricos criados - tubos de televisão transmissores de calor com um alvo piroelétrico.

A imagem de um objeto quente é projetada em um alvo, construindo sobre ele o alívio correspondente da carga, que é lido por um feixe de elétrons de varredura. A tensão elétrica criada pela corrente do feixe de elétrons controla o brilho do feixe que pinta a imagem do objeto na tela.