Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПИРОЭЛЕКТРИКИ

ПИРОЭЛЕКТРИКИ

ПИРОЭЛЕКТРИКИ - кристаллич. диэлектрики, наповерхности к-рых при изменении темп-ры Т возникают электрич. заряды. <Появление электрич. зарядов связано с изменением спонтанной поляризации.

Историческая справка. В нач. 18 в. в Европубыли завезены кристаллы турмалина ("цейлонский магнит"), обладающие свойствомпри нагревании оказывать силовое воздействие на частицы пепла. Ф. У. Т. <Эпинус (F. U. Th. Aepinus, 1756) установил причину - образование на концахнагретого кристалла зарядов противоположного знака. Термин "пироэлектричество"был введён Д. Брюстером (D. Brewster, 1824). Кельвин (W. Thomson, LordKelvin) связал пироэлектрич. эффект с изменением электрич. поляризациипри изменении Т. Аккерманн (W. Ackermann, 1915) исследовал пироэлектрическийэффект в ряде кристаллов в широком интервале Т и обнаружил тенденциюк убыванию пироэлектрич. эффекта при понижении Т. Первая микроскопич. <теория создана С. А. Богуславским (1915). В дальнейшем было установлено, <что у сегнетоэлектриков величина эффекта весьма велика вблизи точкифазового перехода.

Спонтанная поляризация Р₀ может существовать только при достаточно низкой симметрии кристалла. Иметьзависящую от Т спонтанную поляризацию, т. е. быть П., могут лишькристаллы, в к-рых есть полярное направление, не изменяющееся при всехпреобразованиях симметрии (полярные диэлектрики): вдоль этого направлениярасполагается вектор Р₀. Таким полярным направлениемобладают кристаллы 10 точечных групп симметрии:1, 2, 3, 4, 6, т, тт2, З т, 4 тт, 6 тт (рис. 1). В группах 1 и т бесконечно много таких направлений и направление Р₀ не предопределено. В остальных группах это оси симметрии.

Рис. 1. Возможные точечные группы симметриипирозлектриков, показаны оси симметрии кристаллов.

Спонтанная поляризация проявляется в видесвязанного заряда в тех местах кристалла, где Р₀ зависит от координат:

- объёмная плотность связанного заряда. Т. о., на поверхности П. возникаетсвязанный поверхностный заряд, плотность к-рого равна нормальной компоненте Р₀.При этом внутри кристалла и вне его возникает электрич. поле Е₀.В бесконечной пластине, вырезанной перпендикулярно Р₀,

В общем случае поле Е₀ иполная энергия П. зависят от его формы.

В реальном П. поле Е₀ внутрии вне его равно 0 (хотя Р₀ сохраняется). Причина- электропроводность - свободные заряды, перемещаясь к поверхностям, нейтрализуютсвязанный заряд. Поэтому пироэлектрич. свойства можно наблюдать толькопри достаточно быстром изменении темп-ры кристалла.

Свойства П. Ур-ние, связывающее изменение Р₀ и Т, имеет вид:где - пироэлектрич. <коэф., к-рые можно рассматривать как компоненты вектора

В П. всех классов симметрии, кроме 1 и т, вектор направленвдоль оси симметрии, к-рая является одной из координатных осей (z),т. е.В группе т вектор лежит в плоскости симметрии:В группе 1 направление произвольноотносительно

координатных осей:

Пироэлектрич. коэф.зависит от механич. условий: образец может быть "свободен" (механич. напряжениеотсутствует) либо "зажат", когда внешние механич. напряжения обеспечиваютотсутствие механич. деформаций u_ij, возникающих за счёттеплового расширения при изменении Т. При одноврем. изменении Т, <Е термодинамич. потенциал Ф кристалла (при пост. механич. напряжении)изменяется на величину

где S - энтропия кристалла. Т. к. Р _i=- (дф/дЕ) _Т, S = - (дФ/дТ) _Еi, д ² Ф/дTдE_i= д ² Ф/дЕ _i дТ, то

Т. о., пироэлектрич. коэф. определяет иизменение энтропии кристалла под действием электрич. поля:

Это означает, что темп-pa П., находящегосяв состоянии адиабатич. изоляции, при наложении электрич. поля вдоль полярнойоси изменится на величину

где С - теплоёмкость кристалла припостоянных механич. напряжении и электрич. поле ( электрокалорическийэффект). Изменение Т для линейных П. с = 10^-4 Кл/м ² х К и С =10³ Дж/кг х К в полях Е~ 10⁶ В/м имеет порядок 10^-4 К, в сегнетоэлектриках 1-10^-2 К.

Все П. являются пъезоэлектриками, поэтомуизменение темп-ры "свободного" кристалла, приводящее к его тепловому расширениюили сжатию (деформации), вызовет добавочную электрич. поляризацию:

Здесь e_ijk- тензор 3-го ранга пьезоэлектрич. модулей, a_jk- компоненты тензора коэф. теплового расширения, а суммарная поляризация

Здесь - коэф. "первичного",- "вторичного" пироэлектрич. эффекта. Для разл. кристаллов соотношениемежду и варьируетсяв широких пределах: вторичный эффект может превышать первичный, иметь др. <знак и т. д. "Третичный" пироэлектрич. эффект связывают с изменением Рв неоднородно нагретом пьезоэлектрике.

Микроскопическая теория П., позволяющаявыяснить природу пироэлектрич. эффекта и описать свойства П., основанана рассмотрении ангармонизма колебаний кристаллической решётки. Температурнаязависимость пироэлектрич. коэф. в области низких темп-р удовлетворительноописывается соотношением

Здесь - характеристич. темп-ры Дебая и Эйнштейна, D и Э - ф-ции Дебаяи Эйнштейна,- постоянные коэф. (см. Дебая температура, Эйнштейна температура].

Экспериментальные методы. Для измерения необходимо определить величину заряда, возникающего на поверхности кристаллаопределённой ориентации и формы при изменении Т. Для этого обычноиспользуются плоскопараллельные пластинки, вырезанные перпендикулярно полярнойоси кристалла. Большие поверхности образца покрываются проводящими электродами. <Изменение ср. темп-ры кристалла на величину приводит к появлению на электродах связанного заряда (S- площадь электродов) и разности потенциалов ( С-ёмкость образца).

Для измерения заряда конденсатор К с образцомпомещается в термостат (рис. 2), темп-pa к-рого может изменяться. При появлениипироэлектрич. заряда потенциал точки А изменяется, заряд может бытьизмерен электрометром Э.

Рис. 2. Статический метод определения пироэлектрическогокоэффициента.

Обычно электрометр используют в качественуль-индикатора и определяется заряд противоположного знака, по величинеравный пироэлектрическому (компенсац. схема, состоящая из батареи Б, потенциометраП и ёмкости С, переключателя Пр, служит для изменения знака заряда конденсатора).Заряд на конденсаторе Q подбирается так, чтобы потенциал точки . былравен 0. В этом случае Q =Q _пиро. Вдр. методе измеряется пироэлектрич. ток I, протекающий между обкладкамиконденсатора по внеш. цепи при непрерывном изменении Т образца (рис.3). При заданной скорости изменения темпры dT/dt величина определяется при R_iR_e:

Рис. 3. Измерение пироэлектрического коэффициентав "токовом" режиме.

Пироэлектрические материалы и их практическоеприменение. Типичными П. являются турмалин, Li₂SО ₄ х H₂ О. Среди П. особое место занимают сегнето-электрики, в к-рыхтемпературная область полярной фазы ограничена: при повышении Т спонтаннаяполяризация уменьшается и исчезает в точке фазового перехода Т _к. Вблизи Т _к

и может достигать бесконечно больших значений.

Для практич. целей важны П., в к-рых сохраняет высокие значения в достаточно широком интервале Т. Рядсегнетоэлектриков удовлетворяет этому условию; осн. препятствие их применения- деполяризация из-за разбиения кристаллов на домены. Используются разл. <способы сохранения в кристаллах монодоменного состояния: введение в растущийкристалл примесей, -облучениев электрич. поле; для кристаллов с высокими Т _к - охлаждениепри переходе через Т _к в электрич. поле. При введениипримесей и облучении в сегнетоэлектриках возникают внутр. поля, достигающие10⁶ В/м. Помимо стабилизации монодоменного состояния эти поляприводят к "размытию" фазового перехода, причём область Т, где имеетаномально высокие значения, расширяется. Пироэлектрнч. свойствами обладаюткерамич. сегнетоэлектрики, поляризованные электрич. полем, а также нек-рыеполимеры (табл.).

Пироэлектрические свойства некоторыхматериалов при Т=300 К

Турмалин Li2SO4 х H2O	10-8 Кл х см -2 К -1
	0,04 0,8
	2,5 2,1 0,4 0,5
	0,65,0 3,5 - 17 2,3
	0,3 0,01

П. используются как термоэлектрич. преобразователи. <Основой является нироэлектрич. пластина с металлич. электродами, нанесённымина срез, перпендикулярный полярной оси. На входе - поток лучистой энергии, <изменяющий темп-ру П., на выходе - электрич. заряд или напряжение. Преимуществапироэлектрич. преобразователей - широкий диапазон частот детектируемыхизлучений, высокая чувствительность, быстродействие, способность к работепри Т~300 К. Пироэлектрич. приёмники применяются как детекторы ИК-излучениямалой мощности; детекторы формы и мощности коротких (10^-5 -10^-11 с) импульсов излучения; чувствит. датчики в спектро- ирадиометрии; пирометры.

Рис. 4. Схема пироэлектрического видикона:1- пироэлектрическая мишень; 2 - электронный луч;3 - катод;4 - ускоряющий анод;5 - окно; 6 - сетка-коллектор;7 - фокусирующие и отклоняющие катушки.

Особенно перспективно их применение дляиндикации пространственного распределения излучений, в т. ч. в системахвизуализации ИК-изображений. Созданы пироэлектрич. видиконы - тепловыепередающие телевизионные трубки с пироэлектрич. мишенью (рис. 4). С внеш. <стороны через окно 5 на мишень 1 в виде тонкой (10 - 100 мкм) пироэлектрич. <пластины (диам. 1820мм)проецируется изображение объекта; внутр. сторона обращена к считывающемуэлектронному лучу 2. Изображение объекта создаёт на мишени температурныйи соответствующий ему зарядовый и потенциальный рельеф. Этот рельеф модулируетток, протекающий в цепи нагрузочного сопротивления при сканировании мишениэлектронным лучом. Создаваемое током напряжение управляет яркостью луча, <воспроизводящего изображение на телевизионном мониторе.

Лит.: Най Дж., Физические свойствакристаллов, пер. с англ., 2 изд., М., 1967; Желудев И. С., Физика кристаллическихдиэлектриков, М., 1968; Новик В. К., Гаврилова Н. Д., Фельдман Н. Б., Пироэлектрическиепреобразователи, М., 1979; Кременчугский Л. С., Ройцина О. В., Пироэлектрическиеприемные устройства, К., 1982.

Б. А. Струков.