Piroelectricidad - Pyroelectricity

No confundir con termoelectricidad , un efecto térmico diferente con un mecanismo diferente.
Sensor piroeléctrico

La piroelectricidad (de las dos palabras griegas pyr que significa fuego y electricidad ) es una propiedad de ciertos cristales que están naturalmente polarizados eléctricamente y, como resultado, contienen grandes campos eléctricos. La piroelectricidad se puede describir como la capacidad de ciertos materiales para generar un voltaje temporal cuando se calientan o enfrían. El cambio de temperatura modifica ligeramente las posiciones de los átomos dentro de la estructura cristalina , de modo que cambia la polarización del material. Este cambio de polarización da lugar a un voltaje a través del cristal. Si la temperatura se mantiene constante en su nuevo valor, el voltaje piroeléctrico desaparece gradualmente debido a la corriente de fuga . La fuga puede deberse a electrones que se mueven a través del cristal, iones que se mueven a través del aire o que la corriente se escapa a través de un voltímetro conectado a través del cristal.

Explicación

La piroelectricidad se puede visualizar como un lado de un triángulo, donde cada esquina representa estados de energía en el cristal: energías cinética , eléctrica y térmica . El lado entre las esquinas eléctricas y térmicas representa el efecto piroeléctrico y no produce energía cinética . El lado entre las esquinas cinéticas y eléctricas representa el efecto piezoeléctrico y no produce calor .

La carga piroeléctrica en los minerales se desarrolla en las caras opuestas de los cristales asimétricos. La dirección en la que tiende la propagación de la carga suele ser constante a lo largo de un material piroeléctrico, pero, en algunos materiales, esta dirección puede ser cambiada por un campo eléctrico cercano. Se dice que estos materiales exhiben ferroelectricidad . Todos los materiales piroeléctricos conocidos también son piezoeléctricos . A pesar de ser piroeléctricos, los materiales novedosos como el nitruro de boro y aluminio (BAlN) y el nitruro de boro y galio (BGaN) tienen una respuesta piezoeléctrica cero para la deformación a lo largo del eje c en ciertas composiciones, estando las dos propiedades estrechamente relacionadas. Sin embargo, tenga en cuenta que algunos materiales piezoeléctricos tienen una simetría cristalina que no permite la piroelectricidad.

Los materiales piroeléctricos son en su mayoría duros y cristales, sin embargo, se puede lograr una piroelectricidad blanda mediante el uso de electretos .

La piroelectricidad se mide como el cambio de polarización neta (un vector) proporcional a un cambio de temperatura. El coeficiente piroeléctrico total medido a tensión constante es la suma de los coeficientes piroeléctricos a deformación constante (efecto piroeléctrico primario) y la contribución piezoeléctrica de la expansión térmica (efecto piroeléctrico secundario). En circunstancias normales, incluso los materiales polares no muestran un momento dipolar neto. Como consecuencia, no existen equivalentes dipolo eléctricos de imanes de barra porque el momento dipolar intrínseco es neutralizado por la carga eléctrica "libre" que se acumula en la superficie por conducción interna o de la atmósfera ambiental. Los cristales polares solo revelan su naturaleza cuando son perturbados de alguna manera que altera momentáneamente el equilibrio con la carga superficial compensadora.

La polarización espontánea depende de la temperatura, por lo que una buena sonda de perturbación es un cambio de temperatura que induce un flujo de carga hacia y desde las superficies. Este es el efecto piroeléctrico. Todos los cristales polares son piroeléctricos, por lo que las 10 clases de cristales polares a veces se denominan clases piroeléctricas. Los materiales piroeléctricos se pueden utilizar como detectores de radiación infrarroja y de longitud de onda milimétrica.

Un electret es el equivalente eléctrico de un imán permanente.

Descripción matemática

El coeficiente piroeléctrico se puede describir como el cambio en el vector de polarización espontánea con la temperatura:

donde p i (Cm −2 K −1 ) es el vector del coeficiente piroeléctrico.

Historia

La primera referencia al efecto piroeléctrico se encuentra en los escritos de Teofrasto (c. 314 a. C.), quien señaló que el lyngourion , la turmalina , podría atraer aserrín o trozos de paja cuando se calienta. Las propiedades de la turmalina fueron redescubiertas en 1707 por Johann Georg Schmidt , quien notó que la piedra atraía solo cenizas calientes, no frías. En 1717 Louis Lemery notó, al igual que Schmidt, que los pequeños trozos de material no conductor se sentían atraídos primero por la turmalina, pero luego los repelía una vez que entraban en contacto con la piedra. En 1747 Linneo relacionó por primera vez el fenómeno con la electricidad (llamó a la turmalina Lapidem Electricum , "la piedra eléctrica"), aunque esto no fue probado hasta 1756 por Franz Ulrich Theodor Aepinus .

La investigación sobre la piroelectricidad se volvió más sofisticada en el siglo XIX. En 1824 Sir David Brewster le dio al efecto el nombre que tiene hoy. Tanto William Thomson en 1878 como Woldemar Voigt en 1897 ayudaron a desarrollar una teoría de los procesos detrás de la piroelectricidad. Pierre Curie y su hermano, Jacques Curie , estudiaron la piroelectricidad en la década de 1880, lo que les llevó al descubrimiento de algunos de los mecanismos detrás de la piezoelectricidad.

Clases de cristal

Todas las estructuras cristalinas pertenecen a una de las treinta y dos clases de cristales según el número de ejes de rotación y planos de reflexión que poseen que dejan la estructura cristalina sin cambios ( grupos de puntos ). De las treinta y dos clases de cristales, veintiuno son no centrosimétricas (sin centro de simetría ). De estas veintiuno, veinte exhiben piezoelectricidad directa , siendo el restante la clase cúbica 432. Diez de estas veinte clases piezoeléctricas son polares, es decir, poseen una polarización espontánea, tienen un dipolo en su celda unitaria y exhiben piroelectricidad. Si este dipolo se puede invertir mediante la aplicación de un campo eléctrico, se dice que el material es ferroeléctrico . Cualquier material dieléctrico desarrolla una polarización dieléctrica (electrostática) cuando se aplica un campo eléctrico, pero una sustancia que tiene una separación de carga tan natural incluso en ausencia de un campo se llama material polar. El hecho de que un material sea polar o no está determinado únicamente por su estructura cristalina. Solo 10 de los 32 grupos de puntos son polares. Todos los cristales polares son piroeléctricos, por lo que las diez clases de cristales polares a veces se denominan clases piroeléctricas.

Clases de cristal piezoeléctrico: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

Piroeléctrico: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4 mm, 6, 6 mm

Efectos relacionados

Dos efectos estrechamente relacionados con la piroelectricidad son la ferroelectricidad y la piezoelectricidad . Normalmente, los materiales son eléctricamente casi neutrales a nivel macroscópico. Sin embargo, las cargas positivas y negativas que componen el material no están necesariamente distribuidas de forma simétrica. Si la suma de la carga multiplicada por la distancia para todos los elementos de la celda básica no es igual a cero, la celda tendrá un momento dipolar eléctrico (una cantidad vectorial). El momento dipolar por unidad de volumen se define como la polarización dieléctrica. Si este momento dipolar cambia con el efecto de los cambios de temperatura aplicados, el campo eléctrico aplicado o la presión aplicada, el material es piroeléctrico, ferroeléctrico o piezoeléctrico, respectivamente.

El efecto ferroeléctrico es exhibido por materiales que poseen una polarización eléctrica en ausencia de un campo eléctrico aplicado externamente, de manera que la polarización se puede invertir si el campo eléctrico se invierte. Dado que todos los materiales ferroeléctricos exhiben una polarización espontánea, todos los materiales ferroeléctricos también son piroeléctricos (pero no todos los materiales piroeléctricos son ferroeléctricos).

El efecto piezoeléctrico es exhibido por cristales (como cuarzo o cerámica) para los cuales aparece un voltaje eléctrico a través del material cuando se aplica presión. Similar al efecto piroeléctrico, el fenómeno se debe a la estructura asimétrica de los cristales que permite que los iones se muevan más fácilmente a lo largo de un eje que los otros. A medida que se aplica presión, cada lado del cristal adquiere una carga opuesta, lo que resulta en una caída de voltaje a través del cristal.

La piroelectricidad no debe confundirse con la termoelectricidad : en una demostración típica de piroelectricidad, todo el cristal se cambia de una temperatura a otra, y el resultado es un voltaje temporal a través del cristal. En una demostración típica de termoelectricidad, una parte del dispositivo se mantiene a una temperatura y la otra parte a una temperatura diferente, y el resultado es un voltaje permanente a través del dispositivo siempre que haya una diferencia de temperatura. Ambos efectos convierten el cambio de temperatura en potencial eléctrico, pero el efecto piroeléctrico convierte el cambio de temperatura a lo largo del tiempo en potencial eléctrico, mientras que el efecto termoeléctrico convierte el cambio de temperatura con la posición en potencial eléctrico.

Materiales piroeléctricos

Aunque se han diseñado materiales piroeléctricos artificiales, el efecto se descubrió por primera vez en minerales como la turmalina . El efecto piroeléctrico también está presente en huesos y tendones .

El ejemplo más importante es el nitruro de galio , un semiconductor. Los grandes campos eléctricos de este material son perjudiciales para los diodos emisores de luz (LED), pero son útiles para la producción de transistores de potencia.

Se ha avanzado en la creación de materiales piroeléctricos artificiales, generalmente en forma de película delgada, utilizando nitruro de galio ( Ga N ), nitrato de cesio ( Cs N O 3 ), fluoruros de polivinilo , derivados de fenilpiridina y ftalocianina de cobalto . Tantalato de litio ( Li Ta O 3 ) es un cristal que presenta propiedades tanto piezoeléctricas como piroeléctricas, que se ha utilizado para crear fusión nuclear a pequeña escala (" fusión piroeléctrica "). Recientemente, se han descubierto propiedades piroeléctricas y piezoeléctricas en el óxido de hafnio dopado ( Hf O 2 ), que es un material estándar en la fabricación de CMOS .

Aplicaciones

Sensores de calor

Los cambios muy pequeños de temperatura pueden producir un potencial piroeléctrico. Los sensores infrarrojos pasivos a menudo se diseñan alrededor de materiales piroeléctricos, ya que el calor de un ser humano o un animal desde varios pies de distancia es suficiente para generar voltaje.

Generación de energía

Un piroeléctrico se puede calentar y enfriar repetidamente (de forma análoga a un motor térmico ) para generar energía eléctrica utilizable. Un grupo calculó que un piroeléctrico en un ciclo de Ericsson podría alcanzar el 50% de la eficiencia de Carnot , mientras que un estudio diferente encontró un material que podría, en teoría, alcanzar el 84-92% de la eficiencia de Carnot (estos valores de eficiencia son para el piroeléctrico en sí, ignorando pérdidas por calentar y enfriar el sustrato , otras pérdidas por transferencia de calor y todas las demás pérdidas en otras partes del sistema). Las posibles ventajas de los generadores piroeléctricos para generar electricidad (en comparación con el motor térmico convencional más el generador eléctrico ) incluyen: temperaturas de funcionamiento potencialmente más bajas , equipos menos voluminosos y menos piezas móviles. Aunque se han presentado algunas patentes para un dispositivo de este tipo, esos generadores no parecen estar cerca de la comercialización.

Fusión nuclear

Artículo principal: Fusión piroeléctrica

Se han utilizado materiales piroeléctricos para generar grandes campos eléctricos necesarios para dirigir los iones de deuterio en un proceso de fusión nuclear . Esto se conoce como fusión piroeléctrica .

Ver también

Referencias

enlaces externos