Пироэлектричество

Кристаллы пироэлектрических веществ — диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Каждая элементарная ячейка в таком кристалле имеет диполи с нескомпенсированным электрическим моментом. Если диполи ориентированы одинаково, то кристалл оказывается электрически поляризованным. Спонтанная поляризация диэлектрика на единицу объема определяется как сумма дипольных моментов в единице объема. Спонтанная поляризация кристалла Р численно равна поверхностной плотности зарядов на противоположных гранях кристалла, нормальных к направлению Р. Если кристалл достаточно долго находится при постоянной температуре, то избыточные заряды на его поверхности компенсируются из-за собственной проводимости кристалла и из-за взаимодействия с заряженными ионами воздуха, и кристалл в целом не обнаруживает электрической поляризации. Если же температура всего кристалла однородно изменяется, тогда анизотропно меняются расстояния и углы между частицами, меняется существующая внутри кристалла спонтанная поляризация, смещаются электрические заряды диполей и в кристалле возникает постоянная поляризация вдоль определенного направления, называемого электрической осью. Таким образом, в результате изменения температуры ΔΤ, т. е. изотропного воздействия, в кристалле появляется дополнительная электрическая поляризация, т. е. векторное свойство.

Уравнение пироэлектрического эффекта имеет вид:

Поскольку ΔΤ — скаляр, а ΔР — вектор, очевидно, что γ — тоже вектор, характеризующий величину пироэлектрического эффекта. Симметрия свойства, описываемого этим вектором, должна соответствовать симметрии явления.

Когда диэлектрик поляризуется однородным электрическим полем, то симметрия действующего поля (т. е. симметрия полярной стрелки), влияет на симметрию явления, т. е. на поляризацию диэлектрика. В изотропном диэлектрике, помещенном в поле плоского конденсатора, вектор поляризации направлен вдоль этой полярной стрелки.

Но скалярное воздействие не может создать симметрию полярной стрелки, значит, эта симметрия должна существовать в самом кристалле. Отсюда следует, что вектор поляризации в случае пироэлектрического эффекта должен быть параллелен единичному полярному направлению в кристалле. Если в кристалле нет такого направления, то ни пироэффекта, ни других векторных свойств у кристалла быть не может. Из 32 классов симметрии полярные единичные направления могут существовать лишь в 10 классах симметрии, в тех, где есть либо одна-единственная ось симметрии, либо одна ось и продольные плоскости симметрии. Принадлежность кристалла к полярному классу симметрии является условием необходимым но недостаточным для проявления пироэлектричества.

Кристаллы, обладающие пироэлектрическими свойствами, используют в качестве датчиков, регистрирующих изменение температуры с высокой точностью, а также для изготовления чувствительных приемников инфракрасного излучения, датчиков ударных волн, измерителей напряжения. Устройства с пироэлектрическими кристаллами используются для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Принцип действия пироэлектрических фотоприемников очень прост: лучистая энергия, попадая на зачерненную (поглощающую) поверхность сегнетоэлектрического кристалла нагревает его. В результате нагревания изменяется спонтанная поляризованность кристалла и возникает импульс тока, который регистрируется электронной схемой.