3. Пироэлектрики

Входы: температура.

Выходы: поляризация.

Графическая иллюстрация:

Рис.2.43. Схематическое изображение элементарной ячейки пироэлектрика; стрелки указывают направления электрических дипольных моментов.

Рис.2.44. Схематическое изображение элементарной ячейки сегнетоэлектрика в полярной фазе (а и б) и неполярной фазе (в); стрелки указывают направления электрических дипольных моментов

Сущность:

Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией P (дипольным моментом единицы объема) в отсутствие электрического поля и других внешних воздействий. Обычно наблюдается не сама поляризация (она компенсируется полями свободных электрических зарядов, натекающих на поверхность кристалла изнутри и извне), а ее изменение ∆P при быстром изменении температуры dT (пироэлектрический эффект). При изменении температуры на 1⁰C поверхностная плотность заряда, как правило, не превышает нескольких мКл/м² . Типичный пироэлектрик- турмалин, природный или синтетический монокристалл алюмосиликата. В нем при изменении температуры на 1⁰C возникает электрическое поле E≈400 В/см. К пироэлектрикам относят кристаллы моногидрата сульфата лития, титаната бария, тростникового сахара и др.

Все пироэлектрики являются и пьезоэлектриками, т. е. в них возникает поляризация при механиическом сжатии (или растяжении) в определенных направлениях. Но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическим эффектом.

  Особой группой пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, элементарная ячейка которого изображена на (рис.2.43). Если нагревать сегнетоэлектрик, то при определенной температуре спонтанная поляризация в нем исчезнет и он переходит в непироэлектрическое состояние (фазовый переход). В области температур, близких к температуре фазового перехода, величина спонтанной поляризации резко меняется с изменением температуры, так что пироэлектрический эффект в этой области особенно велик. 

Математическое описание:

P=P₀+ε₀χE ,

P₀ – вектор спонтанной поляризации,

ε₀χE – поляризация, индуцированная внешним полем Е (χ -диэлектрическая восприимчивость).

Плотность возникающего поверхностного заряда:

σ=р∆Т , где

р - пироэлектрическая константа,

∆Т – изменение температуры,

σ – поверхностная плотность заряда.

∆T ~ Е - это явление называется линейным электрокалорическим эффектом. Существует и квадратичный электрокалорический эффект, когда изменение температуры ~ E².

Применение: Пироэлектрики используются в технике в качестве индикаторов и приёмников излучений. Их действие основано на регистрации электрических сигналов, возникающих в кристалле при изменении их температуры под действием излучения.

А.с. № 285356: Устройство для определения тепловых потоков, содержащее термоэлементы, расположенные на гранях дополнительной стенки, перпендикулярных направлению потока, и измерительную схему, отличается тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, термоэлементы выполнены в виде пироэлектрических датчиков температуры и включены в частотно - зависимую цепь обратной связи измерительной схемы.