ПИРОЭЛЕ́КТРИКИ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПИРОЭЛЕ́КТРИКИ, кристаллич. диэлектрики, на поверхности которых при изменении темп-ры возникают электрич. заряды. Появление зарядов связано с изменением спонтанной поляризации кристалла $\boldsymbol P_s$, которая существует в пироэлектрич. кристаллах в отсутствие внешнего электрич. поля и обусловлена дипольными моментами элементарных ячеек. Спонтанная поляризация может существовать только в кристаллах определённой симметрии и проявляется в виде связанного заряда на поверхностях кристалла, плотность которого численно равна проекции вектора $\boldsymbol P_s$ на нормаль к поверхности. В равновесии при постоянной темп-ре эти заряды, как правило, нейтрализуются свободными зарядами из объёма кристалла или из окружающей среды. Избыточный связанный заряд и связанное с ним электрич. поле появляются только при достаточно быстром изменении темп-ры. Особенностью симметрии П. является наличие в структуре «полярного» направления, остающегося неизменным при всех преобразованиях симметрии кристаллографич. класса симметрии. Вдоль этого направления и располагается вектор $\boldsymbol P_s$. Из 32 классов симметрии таким свойством обладают 10 классов $(1, m, 2, 3, 4, 6, mm2, 3m, 4mm, 6mm)$ (см. Симметрия кристаллов). Симметрией этих классов обладают такие кристаллы, как $\ce{Li2SO4·H2O, ZnO, LiNbO3, Pb5Ge3O11, (CH2NH2COOH)3·H2SO4}$ (триглицинсульфат).
П. различаются по величине вектора пироэлектрич. коэф. $\boldsymbol \gamma$, показывающего, как быстро изменяется вектор $\boldsymbol P_s$ при изменении темп-ры $T: \boldsymbol \gamma=Δ\boldsymbol P_s/ΔT$. Во всех полярных классах симметрии (кроме 1 и $m$) этот вектор направлен вдоль оси симметрии и имеет одну компоненту. Её величина зависит от механич. условий, в которых находится образец. Различают первичный и вторичный пироэлектрич. эффекты, соответственно $\boldsymbol \gamma=\boldsymbol \gamma_{пер}+\boldsymbol \gamma_{втор}$. Величина $\boldsymbol \gamma_{пер}$ характеризует пироэлектрич. эффект механически зажатого кристалла, когда изменение $\boldsymbol P_s$ происходит только за счёт изменения расположения зарядов в каждой элементарной ячейке при её неизменном объёме. Для механически свободного кристалла тепловые деформации приводят (за счёт пьезоэлектрического эффекта) к дополнит. изменению $\boldsymbol P_s$, которое описывается величиной $\boldsymbol \gamma_{втор}$. Обе составляющие пироэлектрич. коэффициента близки по величине. К наиболее эффективным П. относятся сегнетоэлектрич. кристаллы, особенно вблизи темп-ры фазового перехода в полярную фазу.
Возможности практич. применения П. широки и уже реализованы в виде коммерчески выпускаемых пироэлектрич. детекторов – термоэлектрич. преобразователей, имеющих высокую чувствительность в широком интервале частот и темп-р, значительное быстродействие и сравнительно низкую стоимость. Поскольку детекторы такого типа реагируют только на изменения темп-ры, они могут эффективно использоваться для фиксации движущихся объектов либо стационарных объектов с использованием прерывателей теплового потока. Особый интерес представляют двумерные матрицы плёночных пироэлектрич. элементов, позволяющие производить визуализацию изображений в ИК-диапазоне частот, а также сенсоры разл. назначения (реагируют на несанкционированное вторжение, пожар, загрязнение окружающей среды и т. д.).