Пироэлектричество

Пироэффект

Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.
 

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлект-рические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария-стронция, триглицинсульфат — ТГС, ниобат и танталат лития.
 

Измерение пироэффекта проводят, нагревая полимерные электреты с постоянной скоростью и определяя пироток. Широко распространены динамические методы определения пироэффекта при воздействии кратких тепловых импульсов постоянной интенсивности, длительности, и повторяющихся с постоянной частотой. В этом случае удается определять пирокоэффициенг при постоянной температуре, так как образец в целом нагревается слабо.
 

Для вторичного пироэффекта пропорциональность между АР и АГ вытекает из линейного закона теплового расширения А / аАГ и рассмотренного выше пьезоэффекта.
 

Для первичного пироэффекта т, как правило, имеет только одно значение. Константа Рт если возрастание темп-ры вызывает пироэлектрич.
 

Иногда за пироэффект принимают токи термодеполяризации электретов, но в последнем случае повторное нагревание не приводит к появлению тока или он существенно снижается.
 

Очевидна возможность исследования истинного необратимого пироэффекта в фотоэлектретах.
 

Из полимерных материалов пироэффектом обладают поляризованные пленки поливинилфторида и поливинилиденфторида.
 

Это означает, что пироэффект в ТГС в области фазового перехода по преимуществу является истинным, первичным. В интервале 37 — 20 пирокоэффициент в ТГС можно счесть равным примерно 150 эл.
 

На первых стадиях изучения пироэффекта предполагалось, что полный пироэффект ( характеризуемый коэффициентом р) целиком сводится ко вторичному эффекту. Было, однако, показано, что наряду с вторичным эффектом изменение температуры приводит к изменению РСп даже в том случае, если кристалл не деформируется, зажат. Природа истинного пироэффекта не столь ясна, и его объяснение сводится к перестройке кристалла с изменением температуры.
 

Может ли тепловое расширение вызвать пироэффект.
 

Как первичный, так и вторичный пироэффекты линейно зависят от температуры. При малых 9 угол отклонения пропорционален k T. Отсюда APPiAr, где Р — величина, получившая название пирокоэффициента.
 

Измерение напряжения проводили параллельно с измерениями пироэффекта с помощью статического компенсационного и квазистатического методов.
 

На первых стадиях изучения пироэффекта предполагалось, что полный пироэффект ( характеризуемый коэффициентом р) целиком сводится ко вторичному эффекту. Было, однако, показано, что наряду с вторичным эффектом изменение температуры приводит к изменению РСп даже в том случае, если кристалл не деформируется, зажат. Природа истинного пироэффекта не столь ясна, и его объяснение сводится к перестройке кристалла с изменением температуры.
 

Текст

Союз Советск кюСоциалистическикРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 11905660(51)М. Кл. 6 01,1 5/10 3 Ъоудоротеанвй комитет СССР во делам нзобретеннй н отарытнй(72) Авторы изобретения 7) Заявит ститут физики АН Украинской С 5 Й) ПИРОЗЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ие Изобретение относится к области теплоизмерений и может быть использовано для исследования теплового излучения нагретых тел и лазерных пучков.По основному авт. св. У 50 ч 9 ч 2 известен пироэлектрический приемник излучения, состоящий из четырех одинаковых пластин, две из которых образуют двугранный угол, а две другие лежат на плоскости боковых ребер первых и закреплены на этих ребрах, а электроды нанесены на грани пластин с облучаемой и противоположной стороны, Так как все четыре пластины изготовлены из одного и того же пироактивного материала и имеют одинаковые размеры, то пироэлектрический приемник имеет равномерную зональ ную и угловую чувствительность 13Однако при измерении интенсивных потоков излучения происходит перегрев приемника за точку Кюри, располяризация пирокристалла и, следовательно, искажение принимаемого сигнала. Цель изобретения — расширени намического диапазона и повышен равномерности зональной чувств ности. Поставленная цель достигается тем, что в пироэлектрическом приемнике, содержащем чувствительный элемент, выполненный из четырех одинаковых пироэлектрических пластин, две из которых образуют двугранный угол, а две другие расположены по обе стороны двугранного угла, на внутреннюю поверхность пластин нанесен слой диэлектрика, удельное сопротивление которого больше сопротивления пироак» тивного материала, а толщину выбирают большую или равную длине температурной волны в диэлектрике.На чертеже показан пироэлектрический приемник излучения.Приемник состоит из ч-х одинаковых пластин 1 — 1, две из которых 1 и 2 образуют двугранный угол, а две лежат на плоскости боковых ребер пер905660 Формула изобретения ВНИИПИ Заказ 351/ Тираж 882 Подписн 3вых и закреплены на этих ребрах, Электроды 5 — 7 нанесены на грани пластин на противоположные ребра, а электрод 8 — на ребра пластин с облучаемой стороны. На внутреннюю поверхность пластин нанесено диэлектрическое покрытие 9 с удельнын сопротивлением, большим чем у пироактивного материала, например, 10 » — 10 Ом,м,Диэлектрическое покрытие трансформирует плотность энергии излучения с понижением к поверхности пиромате» риала, при этом, поскольку электроды нанесены на торцы пластин, слой диэ; лектрика с большим удельным сопротивлением, чем у пироактивного материала, не шунтирует пироматериал, а толщина его, равная или больше длины «емпературной волны в диэлектрике, обеспечивает наиболее выгодное проникновение излучения к пироматериалу.Пироэлектрический приемник излучения работает следующим образом,Изменяющийся во времени радиационный поток (импульсный или модулированный) попадает в полость пироприемника, образованную пластинами 1 и 4, Диэлектрическое покрытие трансформирует плотность энергии излучения, уменьшая ее в 10-50 раз.В результате пироэффекта радиационный поток преобразуется в электрические сигналы, которые снимаются с электродов 5 — 8. 4Пироэлектрический приемник позволяет измерять плотность энергии внепрерывном режиме до 10-50 Вт/сми в импульсном режиме до 10 Вт/смпри длительности импульса 10 с,-Впри этом равномерность его зональнойчувствительности составляет 3 Ф, чтобольше, чем у известного приемника.Использование этого приемника 0 позволяет расширить динамическийдиапазон и повысить равномерностьзональной чувствительности, экономический эффект от его внедрения составит не менее 2 тыс. руб, в год. 5 Пироэлектрический приемник излу чения по авт. св. У 504942, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона и повышения равномерности зональной чувствительности, на внутреннюю по верхность пластин нанесен слой диэлектрика, удельное сопротивление которого больше, чем сопротивление пироактивного материала, а толщину выбирают большую или равную длине температурной волны в диэлектрике

ИсточниКи информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР35И 504942, кл

С 01 1 5/1 О 1974 филиал ППП «Патент»,г.ужгород, ул.Проектная,

Смотреть

Пироэлектрический эффект

Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризо-ванности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития.
 

Пироэлектрический эффект может быть усилен наложением электрического поля, что приводит к ферроэлектрическим феноменам, В современных матрицах имеется поглощающий излучение слой, выполненный в виде четвертьволновой оптической полости толщиной около 1 мкм.
 

Пироэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов на поверхности полярного диэлектрика при изменении его температуры.
 

Пироэлектрический эффект может быть использован в первую очередь для обнаружения и измерения тепловых потоков, а при соблюдении определенных условий — для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
 

Пироэлектрический эффект является свойством, существенно зависящим от технологии изготовления сегнетоматериала. Так, нами однозначно установлено, что пироактивность датчика, изготовленного из материала с естественной униполяр-ностью, значительно ниже, чем у датчика, прошедшего моно-доменизацию. Для практических приложений также важным являются найденные аномалии температурной зависимости у в кристалле LiNbOs с естественной униполярностью и отсутствие таких аномалий в монодоменном образце. Очевидно, что это может оказаться справедливо для многих пироактив — HBIX материалов.
 

Пироэлектрический эффект известен уже давно, однако для измерения потоков электромагнитных волн его используют лишь в последние годы. Датчик этого детектора обычно представляет собой сегнето-электрический кристалл или керамику. Структура кристаллической решетки этих веществ такова, что они могут обладать постоянной электрической поляризацией Ре. Нагрев такого кристалла приводит к его расширению, а следовательно, к изменению поляризации.
 

Пироэлектрический эффект широко используют в технике. На основе пироэлектриков изготовляют высокочувствительные тепловые датчики.
 

Пироэлектрический эффект обычно усложняется тем, что каждый пироэлектрик является одновременно и пьезоэлектриком. Поэтому неоднородное изменение температуры кристалла вызывает деформацию, а последняя породит вторичную поляризацию пьезоэлектрического происхождения, налагающуюся на первичную пироэлектрическую поляризацию.
 

Пироэлектрическим эффектом называется изменение поляризации диэлектрика при изменении его температуры. Электрокалорическим эффектом называется изменение температуры диэлектрика при изменении напряженности электрического поля.
 

Пироэлектрическим эффектом называется — изменение поляризации диэлектрика при изменении его температуры. Этот эффект впервые наблюдался в 1703 г., когда было обнаружено, что нагревание призматического кристалла турмалина приводит к появлению электрических зарядов на некоторых гранях этого кристалла.
 

Пироэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика при однородном по его объему нагреве или охлаждении. Вещества с четко выраженным пироэлектрическим эффектом называют пироэлектриками.
 

Наблюдение пироэлектрического эффекта и измерение его коэффициентов сильно осложняются проводимостью кристалла. Кроме того, каждый пироэлектрический кристалл также является и пьезоэлектриком. Изменение температуры кристалла, особенно неоднородное, вызывает деформацию кристалла, а результатом деформации является пьезоэлектрическая поляризация, которая добавляется к поляризации, вызванной пироэффектом.
 

Пироэлектрический эффект

Ещё в далёком XIX веке немецкий физик Вильгельм Рентген занимался изучением пироэлектрического эффекта. Пироэлектрический эффект – это генерация электрических зарядов в кристалле под действием теплового (инфракрасного) излучения.Современные технологии позволили искусственно синтезировать чувствительные пироэлектрические кристаллы. В отличие от природных кристаллов (турмалин, кварц) в которых пироэлектрический эффект проявляется слабо, искусственные пироэлектрические кристаллы обладают повышенной чувствительностью.

На основе пироэлектрических кристаллов были созданы пироэлектрические инфракрасные датчики. В настоящее время такие датчики применяют практически повсеместно.

Вот наиболее распространённые сферы применения :

Системы охранной сигнализации. Инфракрасные датчики движения обнаруживают движение человека в охраняемой зоне. Каждый человек излучает в окружающую среду тепло. Это и используется для обнаружения человека в охраняемом пространстве.

Автоматически открывающиеся входные двери в крупных супермаркетах, залах, студиях, магазинах и т.п. В таких системах также используются пироэлектрические датчики движения.

В последнее время в продаже появились автоматические выключатели освещения. Применение таких приборов в быту довольно оправдано, это сокращает затраты на электроэнергию.

Автоматические системы противопожарной сигнализации. Пироэлектрический датчик служит своеобразным электронным термометром и сигнализирует о превышении допустимой температуры в помещении.

Кроме всего прочего пироэлектрические датчики служат для дистанционного измерения температуры.

Наиболее продвинувшейся в производстве пироэлектрических датчиков является фирма Murata Manufacturing Co (Япония).

Устройство простейшего пироэлектрического датчика

Пироэлектрический датчик состоит из пластины пироэлектрика (кристалла) по бокам которого нанесены металлические обкладки, которые образуют своеобразный конденсатор. На одну из обкладок нанесено вещество, принимающее электромагнитное тепловое излучение.

Излучение вызывает пироэлектрический эффект и напряжение между обкладками растёт, причём строго определённой полярности. Полученное напряжение приложено к участку затвор – исток полевого транзистора, встроенного в датчик.

В результате сопротивление канала транзистора VT1 изменяется. Транзистор VT1 нагружен на внешний нагрузочный резистор (не показан на рисунке), с которого и снимается сигнал.

Резистор R1 служит для разрядки обкладок конденсатора пироэлектрического датчика.

Датчики некоторых серий снабжают несколькими чувствительными элементами, соединёнными последовательно с чередующейся полярностью. Это позволяет сделать приборы нечувствительными к равномерному фоновому облучению.

Пироэлектрический кристалл – довольно инерционный чувствительный элемент.

Для различных электронных систем применяются пироэлектрические датчики с разной спектральной чувствительностью. Спектральная чувствительность датчика формируется за счёт поглощающей способности материала, которым покрыты пластины пироэлектрика.

Для противопожарных систем используются пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 1.

На графике видно, что датчики с данной характеристикой чувствительны к излучению с длиной электромагнитной волны 4 – 5 мкм (микрометров).

Для охранных систем, а также систем автоматики используются пироэлектрические датчики с характеристикой 2 и 3. Пироэлектрики с такой спектральной характеристикой более подходит для фиксации движения человека.

Пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 4 наиболее подходят для дистанционных измерителей температуры. Видно, что характеристика под номером 4 более равномерна, следовательно, показания датчика с такой характеристикой будут наиболее точны.

Пироэлектрические датчики нашли широкое применение в системах “умный дом”.

Нравится

Главная &raquo Технологии &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Пироэлектрики[править | править код]

Основная статья: Пироэлектрик

Явлениеправить | править код

Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация незаметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность пироэлектрика из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами.

Исторический очеркправить | править код

По одной из легенд, первое упоминание о пироэлектрическом эффекте содержится в записках Теофраста,[источник не указан 2284 дня] датированных 314 г. до н.э., который заметил, что нагретые кристаллы турмалина притягивают к себе соломинки и частички пепла. Пироэлектрические свойства турмалина были открыты вновь в 1707 году Иоганном Георгом Шмидтом.

Согласно другой версии, пироэлектрический эффект ещё в начале VI века до н.э. открыл древнегреческий философ Фалес Милетский. Он много путешествовал по странам Востока, внимательно собирал и записывал наблюдения в области минералогии и астрономии. Считается, что именно он впервые в научном аспекте истолковал способность янтаря притягивать птичий пух или соломинки после натирания (эффект электризации трением). Достоверный рассказ об этом физическом явлении впервые документирован в основополагающем диалоге «Тимей» другого древнегреческого философа — Платона. Позднее о подобных свойствах кристаллов граната написал Аль-Бируни в своём фундаментальном труде «Минералогия», и даже привёл строки из любовного стихотворения, посвящённого пироэлектрическому эффекту:

Связь явления пироэлектричества с другими электрическими явлениями в кристаллах была доказана и дополнительно развита Францем Эпинусом и Йоханом Вильке в 1757 году. Повторно исследовав образцы драгоценного турмалина, они подробно описали пироэлектрический эффект, впервые объяснив возникающее явление поляризации. Спустя 127 лет — научное сообщество было удивлено необычайно наглядным и эффектным опытом немецкого учёного Августа Кундта, развившего исследования предшественников. Разогрев кристалл турмалина, он опылил его смесью двух мелкодисперсных порошков: серы и сурика, предварительно пропустив их через шёлковое сито. В процессе просеивания (трения) о шёлк ярко-жёлтые частицы серы заряжались отрицательно, а красно-оранжевые частицы сурика, напротив, положительно. В результате этой несложной демонстрации всем присутствующим стало видно, что один конец турмалина окрасился в жёлтый цвет, а другой стал — красным. Затем Август Кундт добил своих учёных зрителей тем, что при охлаждении кристалла турмалина полюса поменялись, и соответственно, в строго обратном порядке поменялись и цвета́.

При изменении температуры на один кельвин в кристаллах самоцветного турмалина возникает электрическое поле напряжённостью ~ 400 Вольт на сантиметр. Как и все пироэлектрики, турмалин является также и пьезоэлектриком. Правда, это правило не имеет обратной силы. Далеко не все пьезоэлектрики имеют пироэлектрические свойства.

Схема пьезоэффекта