Пироэлектрический эффект

Физическая природа пироэлектрического эффекта

Пироэлектрический эффект представляет собой изменение электрической поляризации кристалла при изменении его температуры. В пироэлектрических материалах существует самопроизвольная поляризация, обусловленная особенностями их кристаллической структуры и отсутствием центра симметрии. При нагревании или охлаждении величина и направление этой поляризации изменяются, что приводит к возникновению поверхностного электрического заряда и, как следствие, к появлению разности потенциалов между противоположными гранями кристалла.

В отличие от пьезоэлектрического эффекта, при котором поляризация изменяется под действием механических напряжений, пироэлектрический эффект вызывается исключительно температурными изменениями, без необходимости приложения внешних механических сил. Это делает его особенно важным для температурных датчиков и инфракрасных приёмников.

Классы пироэлектриков и условия существования эффекта

Пироэлектрические свойства проявляются только в кристаллах, относящихся к 10 из 32 кристаллографических классов, которые одновременно являются полярными. Среди них выделяют:

  • Сегнетоэлектрики – материалы, обладающие спонтанной поляризацией, которую можно изменять внешним электрическим полем. Пример: титанат бария (BaTiO₃), ниобат лития (LiNbO₃).
  • Истинные пироэлектрики – материалы с постоянной спонтанной поляризацией, не управляемой электрическим полем.
  • Турмалиноподобные структуры – кристаллы турмалина и схожих минералов, в которых эффект стабилен в широком температурном диапазоне.

Ключевым условием существования эффекта является отсутствие центра инверсии в кристалле и наличие выделенной полярной оси, вдоль которой и возникает изменение поляризации.

Математическое описание эффекта

Пусть P – вектор спонтанной поляризации. При изменении температуры T величина поляризации изменяется на:

ΔP = p ΔT

где p – пироэлектрический коэффициент (Кл/(м²·К)), характеризующий чувствительность материала к температурным колебаниям.

В общем виде пироэлектрический коэффициент можно определить как:

$$ p = \left( \frac{\partial P}{\partial T} \right)_E $$

где производная берётся при постоянном внешнем электрическом поле E.

При быстром изменении температуры появляющийся поверхностный заряд Q связан с пироэлектрическим коэффициентом соотношением:

Q = p A ΔT

где A – площадь электрода, контактирующего с поверхностью кристалла.

Первичный и вторичный пироэлектрический эффект

Различают два механизма формирования пироэлектрического отклика:

  1. Первичный пироэлектрический эффект – прямое изменение величины спонтанной поляризации с температурой, вызванное изменением параметров решётки и смещением ионов.
  2. Вторичный пироэлектрический эффект – косвенный вклад, возникающий из-за теплового расширения кристалла, которое вызывает механические деформации и, через пьезоэлектрический эффект, изменение поляризации.

Вторичный эффект может быть соизмерим по величине с первичным, особенно в сильно пьезоэлектрических материалах.

Микроскопический механизм

В основе пироэлектрического эффекта лежит температурная зависимость положения ионов в кристалле и электронного облака. При изменении температуры изменяется длина и угол химических связей, смещаются ионы в элементарной ячейке, что изменяет дипольный момент.

Для сегнетоэлектриков вблизи температуры Кюри эффект особенно велик, так как материал находится близко к фазовому переходу, и даже малые тепловые колебания приводят к значительным изменениям поляризации.

Температурные зависимости и особенности вблизи фазовых переходов

В сегнетоэлектриках пироэлектрический коэффициент p часто резко возрастает при приближении к температуре фазового перехода (точке Кюри). Это объясняется тем, что в этой области кристалл теряет упорядоченность диполей, и поляризация стремительно меняется.

Вблизи TC пироэлектрический коэффициент можно описать зависимостью:

$$ p(T) \propto \frac{1}{|T - T_C|} $$

где TC – температура Кюри.

Экспериментальные методы измерения пироэлектрического эффекта

Наиболее распространены два подхода:

  1. Метод квазистатического нагрева/охлаждения – кристалл медленно нагревается или охлаждается, измеряется возникающий ток короткого замыкания, связанный с изменением поляризации.
  2. Метод импульсного нагрева – используется короткий тепловой импульс, после чего регистрируется ток, вызванный перераспределением зарядов.

Для исключения влияния термоэлектрических и электростатических шумов применяются экранированные электродные системы и компенсационные схемы.

Применения пироэлектрических материалов

Пироэлектрический эффект лежит в основе работы ряда устройств:

  • Инфракрасные детекторы – регистрируют тепловое излучение объектов, преобразуя тепловые колебания в электрический сигнал (например, в системах ночного видения, пожарной сигнализации).
  • Тепловые датчики – измерение нестационарных температурных изменений в технологических процессах.
  • Лазеры на свободных электронах и терагерцевые источники – использование пироэлектриков для генерации и управления электромагнитным излучением.
Оглавление