Piroeletricidade - Pyroelectricity

Sensor piroelétrico

A piroeletricidade (das duas palavras gregas pyr que significa fogo e eletricidade ) é uma propriedade de certos cristais que são polarizados eletricamente e, como resultado, contêm grandes campos elétricos. A piroeletricidade pode ser descrita como a capacidade de certos materiais de gerar uma voltagem temporária quando são aquecidos ou resfriados. A mudança de temperatura modifica ligeiramente as posições dos átomos dentro da estrutura cristalina , de modo que a polarização do material muda. Essa mudança de polarização dá origem a uma voltagem no cristal. Se a temperatura permanecer constante em seu novo valor, a tensão piroelétrica desaparecerá gradualmente devido à corrente de fuga . O vazamento pode ser devido ao movimento de elétrons através do cristal, íons movendo-se pelo ar ou vazamento de corrente através de um voltímetro conectado ao cristal.

Explicação

A piroeletricidade pode ser visualizada como um lado de um triângulo, onde cada vértice representa os estados de energia no cristal: energias cinética , elétrica e térmica . O lado entre os cantos elétricos e térmicos representa o efeito piroelétrico e não produz energia cinética . O lado entre os cantos cinéticos e elétricos representa o efeito piezoelétrico e não produz calor .

A carga piroelétrica nos minerais se desenvolve nas faces opostas dos cristais assimétricos. A direção na qual a propagação da carga tende é geralmente constante em todo um material piroelétrico, mas, em alguns materiais, essa direção pode ser alterada por um campo elétrico próximo. Diz-se que esses materiais exibem ferroeletricidade . Todos os materiais piroelétricos conhecidos também são piezoelétricos . Apesar de serem piroelétricos, novos materiais como nitreto de boro e alumínio (BAlN) e nitreto de boro e gálio (BGaN) têm resposta piezoelétrica zero para deformação ao longo do eixo c em certas composições, as duas propriedades sendo intimamente relacionadas. No entanto, observe que alguns materiais piezoelétricos têm uma simetria de cristal que não permite a piroeletricidade.

Os materiais piroelétricos são principalmente duros e cristais, no entanto, a piroeletricidade suave pode ser alcançada usando eletretos .

A piroeletricidade é medida como a mudança na polarização líquida (um vetor) proporcional a uma mudança na temperatura. O coeficiente piroelétrico total medido em tensão constante é a soma dos coeficientes piroelétricos em deformação constante (efeito piroelétrico primário) e a contribuição piezoelétrica da expansão térmica (efeito piroelétrico secundário). Em circunstâncias normais, mesmo os materiais polares não exibem um momento de dipolo líquido. Como consequência, não há equivalentes de dipolo elétrico de ímãs em barra porque o momento de dipolo intrínseco é neutralizado por carga elétrica "livre" que se acumula na superfície por condução interna ou da atmosfera ambiente. Os cristais polares apenas revelam sua natureza quando perturbados de alguma forma que perturba momentaneamente o equilíbrio com a carga superficial de compensação.

A polarização espontânea depende da temperatura, então uma boa sonda de perturbação é uma mudança na temperatura que induz um fluxo de carga de e para as superfícies. Este é o efeito piroelétrico. Todos os cristais polares são piroelétricos, então as 10 classes de cristais polares às vezes são chamadas de classes piroelétricas. Os materiais piroelétricos podem ser usados ​​como detectores de radiação infravermelha e de comprimento de onda milimétrica.

Um eletreto é o equivalente elétrico de um ímã permanente.

Descrição matemática

O coeficiente piroelétrico pode ser descrito como a mudança no vetor de polarização espontânea com a temperatura:

onde p i (Cm −2 K −1 ) é o vetor do coeficiente piroelétrico.

História

A primeira referência ao efeito piroelétrico é encontrada nos escritos de Teofrasto (c. 314 aC), que observou que o lingourião , a turmalina , poderia atrair serragem ou pedaços de palha quando aquecido. As propriedades da Turmalina foram redescobertas em 1707 por Johann Georg Schmidt , que observou que a pedra atraiu apenas cinzas quentes, não frias. Em 1717, Louis Lemery notou, como Schmidt, que pequenos pedaços de material não condutor foram primeiro atraídos pela turmalina, mas depois repelidos por ela assim que entraram em contato com a pedra. Em 1747, Linnaeus relacionou pela primeira vez o fenômeno à eletricidade (ele chamou turmalina Lapidem Electricum , "a pedra elétrica"), embora isso não tenha sido provado até 1756 por Franz Ulrich Theodor Aepinus .

A pesquisa em piroeletricidade tornou-se mais sofisticada no século XIX. Em 1824, Sir David Brewster deu ao efeito o nome que tem hoje. Ambos William Thomson em 1878 e Woldemar Voigt em 1897 ajudou a desenvolver uma teoria para os processos por trás piroeletricidade. Pierre Curie e seu irmão, Jacques Curie , estudaram a piroeletricidade na década de 1880, levando à descoberta de alguns dos mecanismos por trás da piezoeletricidade.

Classes de cristal

Todas as estruturas cristalinas pertencem a uma das trinta e duas classes de cristal com base no número de eixos rotacionais e planos de reflexão que possuem, que deixam a estrutura cristalina inalterada ( grupos de pontos ). Das trinta e duas classes de cristais, vinte e uma são não centrossimétricas (não têm um centro de simetria ). Dessas vinte e uma, vinte exibem piezoeletricidade direta , sendo a restante a classe cúbica 432. Dez dessas vinte classes piezoelétricas são polares, ou seja, possuem polarização espontânea, tendo um dipolo em sua célula unitária, e exibem piroeletricidade. Se esse dipolo puder ser revertido pela aplicação de um campo elétrico, o material é considerado ferroelétrico . Qualquer material dielétrico desenvolve uma polarização dielétrica (eletrostática) quando um campo elétrico é aplicado, mas uma substância que tem essa separação natural de carga, mesmo na ausência de um campo, é chamada de material polar. Se um material é polar ou não, é determinado apenas por sua estrutura cristalina. Apenas 10 dos 32 grupos de pontos são polares. Todos os cristais polares são piroelétricos, então as dez classes de cristais polares às vezes são chamadas de classes piroelétricas.

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

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

Efeitos relacionados

Dois efeitos intimamente relacionados à piroeletricidade são a ferroeletricidade e a piezoeletricidade . Normalmente os materiais são quase eletricamente neutros no nível macroscópico. No entanto, as cargas positivas e negativas que constituem o material não são necessariamente distribuídas de forma simétrica. Se a soma da carga vezes a distância para todos os elementos da célula básica não for igual a zero, a célula terá um momento de dipolo elétrico (uma quantidade vetorial). O momento de dipolo por unidade de volume é definido como a polarização dielétrica. Se este momento dipolar muda com o efeito de mudanças de temperatura aplicadas, campo elétrico aplicado ou pressão aplicada, o material é piroelétrico, ferroelétrico ou piezoelétrico, respectivamente.

O efeito ferroelétrico é exibido por materiais que possuem uma polarização elétrica na ausência de um campo elétrico aplicado externamente, de modo que a polarização pode ser revertida se o campo elétrico for invertido. Uma vez que todos os materiais ferroelétricos exibem uma polarização espontânea, todos os materiais ferroelétricos também são piroelétricos (mas nem todos os materiais piroelétricos são ferroelétricos).

O efeito piezoelétrico é exibido por cristais (como quartzo ou cerâmica) para os quais uma voltagem elétrica aparece no material quando a pressão é aplicada. Semelhante ao efeito piroelétrico, o fenômeno se deve à estrutura assimétrica dos cristais que permite que os íons se movam mais facilmente ao longo de um eixo do que os outros. Conforme a pressão é aplicada, cada lado do cristal assume uma carga oposta, resultando em uma queda de voltagem no cristal.

A piroeletricidade não deve ser confundida com a termoeletricidade : em uma demonstração típica de piroeletricidade, todo o cristal é alterado de uma temperatura para outra, e o resultado é uma voltagem temporária através do cristal. Em uma demonstração típica de termoeletricidade, uma parte do dispositivo é mantida em uma temperatura e a outra parte em uma temperatura diferente, e o resultado é uma tensão permanente através do dispositivo, desde que haja uma diferença de temperatura. Ambos os efeitos convertem a mudança de temperatura em potencial elétrico, mas o efeito piroelétrico converte a mudança de temperatura ao longo do tempo em potencial elétrico, enquanto o efeito termoelétrico converte a mudança de temperatura com a posição em potencial elétrico.

Materiais piroelétricos

Embora materiais piroelétricos artificiais tenham sido projetados, o efeito foi descoberto pela primeira vez em minerais como a turmalina . O efeito piroelétrico também está presente no osso e no tendão .

O exemplo mais importante é o nitreto de gálio , um semicondutor. Os grandes campos elétricos neste material são prejudiciais em diodos emissores de luz (LEDs), mas úteis para a produção de transistores de potência.

Progresso foi feito na criação de materiais piroelétricos artificiais, geralmente na forma de um filme fino, usando nitreto de gálio ( Ga N ), nitrato de césio ( Cs N O 3 ), fluoretos de polivinila , derivados de fenilpiridina e ftalocianina de cobalto . O tantalato de lítio ( Li Ta O 3 ) é um cristal que exibe propriedades piezoelétricas e piroelétricas, que tem sido usado para criar fusão nuclear em pequena escala (" fusão piroelétrica "). Recentemente, propriedades piroelétricas e piezoelétricas foram descobertas em óxido de háfnio dopado ( Hf O 2 ), que é um material padrão na fabricação de CMOS .

Formulários

Sensores de calor

Mudanças muito pequenas na temperatura podem produzir um potencial piroelétrico. Sensores infravermelhos passivos são freqüentemente projetados em torno de materiais piroelétricos, já que o calor de um humano ou animal a vários metros de distância é suficiente para gerar uma voltagem.

Geração de energia

Um piroelétrico pode ser repetidamente aquecido e resfriado (analogamente a uma máquina de calor ) para gerar energia elétrica utilizável. Um grupo calculou que uma piroelétrica em um ciclo de Ericsson poderia atingir 50% da eficiência de Carnot , enquanto outro estudo encontrou um material que poderia, em teoria, atingir 84-92% da eficiência de Carnot (esses valores de eficiência são para a própria piroelétrica, ignorando perdas de aquecimento e resfriamento do substrato , outras perdas de transferência de calor e todas as outras perdas em outras partes do sistema). As possíveis vantagens dos geradores piroelétricos para gerar eletricidade (em comparação com o motor térmico convencional mais gerador elétrico ) incluem: temperaturas operacionais potencialmente mais baixas , equipamentos menos volumosos e menos peças móveis. Embora algumas patentes tenham sido registradas para tal dispositivo, esses geradores não parecem estar em qualquer lugar perto da comercialização.

Fusão nuclear

Materiais piroelétricos têm sido usados ​​para gerar grandes campos elétricos necessários para orientar os íons de deutério em um processo de fusão nuclear . Isso é conhecido como fusão piroelétrica .

Veja também

Referências

links externos