Pyroelectricity—การค้นพบ พื้นฐานทางกายภาพ และการประยุกต์ใช้

ประวัติการค้นพบ

ตำนานเล่าว่า บันทึกแรกของไพโรอิเล็กทริกถูกสร้างขึ้นโดยนักปรัชญาและนักพฤกษศาสตร์ชาวกรีกโบราณ Theophrastus เมื่อ 314 ปีก่อนคริสตกาล ตามบันทึกเหล่านี้ Theophrastus เคยสังเกตว่าผลึกของแร่ทัวร์มาลีนเมื่อถูกความร้อนเริ่มดึงดูดเศษเถ้าและฟาง ต่อมาในปี 1707 ช่างแกะสลักชาวเยอรมัน Johann Schmidt ได้ค้นพบปรากฏการณ์ของไฟฟ้าไพโรอิเล็กทริกอีกครั้ง

มีอีกเวอร์ชั่นหนึ่งที่การค้นพบของไพโรอิเล็กทริกนั้นมีสาเหตุมาจากนักปรัชญาและนักเดินทางชาวกรีกโบราณชื่อดังอย่าง Thales of Miletus ซึ่งตามเวอร์ชั่นนี้ได้ทำการค้นพบเมื่อต้นศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสต์ศักราช N. E. การเดินทางไปยังประเทศทางตะวันออก Thales ได้จดบันทึกเกี่ยวกับแร่ธาตุและดาราศาสตร์

จากการตรวจสอบความสามารถของอำพันที่ถูเพื่อดึงดูดหลอดดูดและเลื่อนลงมา เขาสามารถตีความปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าจากแรงเสียดทานได้ทางวิทยาศาสตร์ เพลโตจะบรรยายเรื่องนี้ในบทสนทนาของทิเมอัสในภายหลังหลังจากเพลโตแล้วในศตวรรษที่ 10 นักปรัชญาชาวเปอร์เซีย Al-Biruni ในผลงาน "Mineralogy" ของเขาได้อธิบายถึงคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกันของผลึกโกเมน

ความเชื่อมโยงระหว่างไพโรอิเล็กทริกของผลึกกับปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันจะได้รับการพิสูจน์และพัฒนาในปี 1757 เมื่อ Franz Epinus และ Johann Wilke เริ่มศึกษาโพลาไรเซชันของวัสดุบางชนิดขณะที่วัสดุทั้งสองถูกัน

หลังจากผ่านไป 127 ปี August Kundt นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันจะแสดงการทดลองที่ชัดเจน โดยเขาจะให้ความร้อนกับผลึกทัวร์มาลีนแล้วเทผ่านตะแกรงที่มีส่วนผสมของตะกั่วแดงและผงกำมะถัน กำมะถันจะมีประจุบวกและตะกั่วสีแดงมีประจุลบ ส่งผลให้ตะกั่วแดงส้มแดงทำให้ด้านหนึ่งของผลึกทัวร์มาลีนและอีกด้านหนึ่งปกคลุมด้วยสีเหลืองเทาสดใส จากนั้น August Kund ทำให้ทัวร์มาลีนเย็นลง "ขั้ว" ของคริสตัลเปลี่ยนไปและสีก็เปลี่ยนไป ผู้ชมรู้สึกยินดี

สาระสำคัญของปรากฏการณ์คือเมื่ออุณหภูมิของผลึกทัวร์มาลีนเปลี่ยนแปลงเพียง 1 องศา สนามไฟฟ้าประมาณ 400 โวลต์ต่อเซนติเมตรจะปรากฏขึ้นในผลึก โปรดทราบว่าทัวร์มาลีนก็เหมือนกับไพโรอิเล็กทริกทั้งหมด เพียโซอิเล็กทริก (อย่างไรก็ตาม เพียโซอิเล็กทริกทั้งหมดไม่ใช่ไพโรอิเล็กทริก)

รากฐานทางกายภาพ

ในทางกายภาพ ปรากฏการณ์ของไพโรอิเล็กทริกถูกกำหนดให้เป็นลักษณะของสนามไฟฟ้าในผลึกเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจเกิดจากความร้อน การเสียดสี หรือการแผ่รังสีโดยตรง คริสตัลเหล่านี้รวมถึงไดอิเล็กตริกที่มีโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง (เกิดขึ้นเอง) ในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลจากภายนอก

โดยปกติจะไม่สังเกตเห็นโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจะถูกหักล้างด้วยสนามไฟฟ้าของประจุอิสระที่อากาศรอบๆ เมื่ออุณหภูมิของผลึกเปลี่ยนแปลง ขนาดของโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน ซึ่งนำไปสู่ลักษณะของสนามไฟฟ้า ซึ่งสังเกตได้ก่อนที่จะมีการชดเชยด้วยประจุฟรี

การเปลี่ยนแปลงในโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเองของไพโรอิเล็กทริกสามารถเริ่มต้นได้ไม่เพียงแค่การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนรูปทางกลด้วย นั่นคือสาเหตุที่ว่าทำไมไพโรอิเล็กทริกทั้งหมดจึงเป็นเพียโซอิเล็กทริกด้วย แต่ไม่ใช่ เพียโซอิเล็กทริกทั้งหมดที่เป็นไพโรอิเล็กทริก โพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง นั่นคือ จุดศูนย์ถ่วงที่ไม่ตรงกันของประจุลบและประจุบวกภายในคริสตัลอธิบายได้จากความสมมาตรตามธรรมชาติที่ต่ำของคริสตัล

การประยุกต์ใช้ไพโรอิเล็กทริก

ทุกวันนี้ ไพโรอิเล็กทริกถูกใช้เป็นอุปกรณ์ตรวจจับเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ โดยเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องรับและตรวจจับรังสี เทอร์โมมิเตอร์ ฯลฯ อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติหลักของไพโรอิเล็กทริก นั่นคือการแผ่รังสีชนิดใดก็ตามที่กระทำต่อตัวอย่างทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในอุณหภูมิของตัวอย่างและการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในโพลาไรเซชัน หากในกรณีนี้ พื้นผิวของตัวอย่างถูกปกคลุมด้วยอิเล็กโทรดนำไฟฟ้า และอิเล็กโทรดเหล่านี้เชื่อมต่อด้วยสายไฟเข้ากับวงจรการวัด กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวงจรนี้

และถ้ามีการไหลของรังสีชนิดใดก็ตามที่อินพุตของไพโรอิเล็กตริกคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งทำให้เกิดความผันผวนในอุณหภูมิของไพโรอิเล็กตริก (ได้รับค่าความเป็นคาบ เช่น โดยการมอดูเลตเทียมของความเข้มของรังสี) กระแสไฟฟ้าก็คือ ได้ที่เอาต์พุตซึ่งเปลี่ยนไปตามความถี่ที่แน่นอน

ข้อดีของเครื่องตรวจจับรังสีแบบไพโรอิเล็กตริก ได้แก่ ความถี่ของรังสีที่ตรวจจับได้หลากหลายไม่จำกัด ความไวสูง ความเร็วสูง ความเสถียรทางความร้อน การใช้เครื่องรับไพโรอิเล็กทริกในย่านอินฟราเรดมีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษ

พวกเขาแก้ปัญหาในการตรวจจับการไหลของพลังงานความร้อนพลังงานต่ำ การวัดกำลังและรูปร่างของพัลส์เลเซอร์แบบสั้น และการวัดอุณหภูมิแบบไม่สัมผัสและการสัมผัสที่มีความไวสูง (ด้วยความแม่นยำระดับไมโคร)

ปัจจุบัน มีการกล่าวถึงความเป็นไปได้ของการใช้ไพโรอิเล็กทริกเพื่อแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง: การไหลสลับของพลังงานรังสีทำให้เกิดกระแสสลับในวงจรภายนอกขององค์ประกอบไพโรอิเล็กทริก และแม้ว่าประสิทธิภาพของอุปกรณ์ดังกล่าวจะต่ำกว่าวิธีการแปลงพลังงานที่มีอยู่ แต่สำหรับแอปพลิเคชันพิเศษบางอย่าง วิธีการแปลงนี้ค่อนข้างยอมรับได้

ความเป็นไปได้ที่ใช้ไปแล้วในการใช้เอฟเฟกต์ไพโรอิเล็กทริกเพื่อแสดงภาพการกระจายเชิงพื้นที่ของรังสีในระบบภาพอินฟราเรด (การมองเห็นตอนกลางคืน ฯลฯ) มีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษ สร้าง pyroelectric vidicons - หลอดโทรทัศน์ที่ส่งความร้อนโดยมีเป้าหมายเป็น pyroelectric

ภาพของวัตถุอุ่นถูกฉายลงบนเป้าหมาย โดยสร้างขึ้นจากประจุไฟฟ้าที่สอดคล้องกันซึ่งอ่านโดยลำแสงอิเล็กตรอนแบบส่องกราด แรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยกระแสลำแสงอิเล็กตรอนจะควบคุมความสว่างของลำแสงที่วาดภาพวัตถุบนหน้าจอ