Ефект піроелектрики

Чому важлива кристалічна симетрія

Не кожен кристал є піроелектричним, і причина полягає в геометрії. Кристал складається з повторюваної одиничної комірки – невеликої групи атомів, закономірність якої розповсюджується у три виміри. Чи може така комірка генерувати піроелектричну реакцію залежить від того, чи має вона центр симетрії, також відомий як інверсійна симетрія. Структура має центр симетрії, якщо для кожного атома на певній позиції існує ідентичний атом у точно протилежній точці через центральну точку. Звичайний повалений сіль – натрій хлорид – є класичним прикладом центросиметричного кристала: його просте кубічне розташування йонів натрію та хлору ідеально збалансоване навколо центральної точки. Коли ви стискаєте кристал NaCl, іони все ж трохи зміщуються, але завдяки інверсійній симетрії, зсуви з одного боку точно віддзеркалюються та скасовані зсувами на протилежному боці. Центри позитивного та негативного заряду залишаються співпадаючими незалежно від того, як ви стискаєте його, тому жодного нетто-поляризації не може виникнути. Симетрія це забороняє, незалежно від того, наскільки сильно ви натискаєте. Піроелектричні матеріали фундаментально відрізняються: їхні одиничні комірки не мають цього центру симетрії. Кварц – форма діоксиду кремнія – має спіральне, викручене розташування атомів кремнію та кисню без точки інверсії. Рошельська сіль має подібне асиметричне молекулярне розташування. Інженерні кераміки, такі як плідча цирконат титану, виготовляються з деформованої, нецентрованої пероксидній структури спеціально для максимізації цієї асиметрії. У всіх цих матеріалах, коли напруження деформує комірку, позитивні та негативні зарядові центри рухаються різними способами і в різних напрямках, тому вони більше не співпадають. Це розділення заряду створює вимірюваний потенціал. Більш глибокий урок полягає в тому, що піроелектричність – це властивість, яка не є властивістю окремих атомів або зв’язків, а є емерджентною властивістю кристалічної архітектури: з 32 кристалічних класів, визнаних у кристалогії, лише 20 не мають центру симетрії, і лише 20 з них, в принципі, можуть виявляти піроелектричну поведінку.

Прямий ефект: стискайте для генерації напруги

Прямий піроелектричний ефект перетворює механічну енергію на електричну. Коли зовнішня сила стискає, розтягує або зсуває піроелектричний кристал, асиметрична комірка деформується, і позитивні та негативні зарядові центри відокремлюються на мікроскопічну відстань. Множення цієї мікроскопічної роздільної здатності на мільярди комірок у реальному кристалі призводить до вимірюваного поверхневого заряду та напруги, яку можна отримати за допомогою електродів, приєднаних до протилежних граней матеріалу. Вироблювана напруга пропорційна прикладеному напруженню, що робить піроелектричні кристали чудовими кількісними датчиками. У піроелектричному мікрофоні звукові хвилі, що потрапляють на мембрану, з'єднану з піроелектричним елементом, створюють невеликі, швидко змінювані тиск, які безпосередньо перетворюються на електричний сигнал, який відбиває звукову хвилю. У промислових датчиках сили та тиску піроелектричний диск, заглиблений між електродами, повідомляє точну величину прикладеного навантаження завдяки величині напруги, яку він генерує, використовуються скрізь – від датчиків подушок безпеки автомобілів до моніторингу промислового обладнання. Піроелектричні запальнички, які можна знайти в газових грилях і запальничках, використовують пружинний молоточок для різкого удару по піроелектричному керамічному кристалу; отриманий раптовий стрибок напруги, часто кілька тисяч вольт, достатній для перестрибування проміжку між спарочками та запалювання газу. Важливо зазначити, що піроелектричні датчики реагують на зміну напруження, а не на постійне навантаження. Оскільки поверхневий заряд, створений постійною силою, повільно витікає через власну недосконалу ізоляцію датчика та будь-яку підключену вимірювальну схему, піроелектричні датчики найкраще підходять для вимірювання динамічних, швидко змінюваних сил, вібрацій і ударів, але вони погано підходять для вимірювання постійної незмінної ваги протягом тривалого періоду часу. Саме тому пристрої на основі піроелектрики домінують у застосуваннях, пов'язаних із вібрацією, ударом, звуком і швидкими змінами тиску, тоді як зважування стабільного стану зазвичай покладається на інші технології датчиків, такі як деформаційні елементи.

Зворотний ефект: напруга до руху

Зворотний піроелектричний ефект запускає процес у зворотньому напрямку, перетворюючи електричну енергію на механічний рух. Коли на піроелектричний кристал подається зовнішнє напруження, електричне поле штовхає та тягне внутрішню розподіл заряду, змушуючи асиметричні одиничні клітини деформуватися у відповідь. Оскільки поле взаємодіє безпосередньо з тим самим асиметрією заряду, що відповідає за прямий ефект, кристал сам змінює форму, розширюючись, стискається або зсувається на величину, пропорційну прикладеному напруженню. Залучені переміщення надзвичайно малі, часто лише нанометри до мікрометрів, але вони також надзвичайно точні та повторювані, що робить зворотний ефект таким цінним. Кварцові осцилятори годинників використовують цю точність у поєднанні з прямим ефектом: прикладене напруження деформує ретельно відрізаний кварцовий кристал, який потім пружинить і коливається з надзвичайно стабільної природної механічної частоти, зазвичай 32 768 разів на секунду у годинниках-рулетках, а цей коливання живляться електрично для підтримки високоточної сигналізації часу. Ультразвукові перетворювачі в медичній візуалізації використовують швидко змінювані напруги для вібрації піроелектричного елементу з мегагерцовими частотами, генеруючи звукові хвилі, які проникають у тканини; той самий перетворювач використовує прямий ефект для виявлення слабких відбитих ехо, перетворюючи їх на електричні сигнали, що використовуються для побудови зображення. Носові сопла струменевих чорнила в піроелектричних голографічних друкарях використовують точно синхронізований імпульс напруги для деформації піроелектричної мембрани, механічно стискаючи краплю чорнила з сопла з чудовим контролем над розміром та часом крапель, а атомно-силові мікроскопи віддають цьому точності ще більше: піроелектричні виконавчі механізми розташовують кінчик вимірювального приладу мікроскопа з точністю до субнанометрів, скануючи його по поверхні зразка на невеликих, надзвичайно контрольованих кроках для створення зображення окремих атомів і молекул.

Інженерні Кераміки та Полярювання

Хоча природні кристали, такі як кварц і рошельська сіль, були першими піроелектричними матеріалами, вивченими, більшість сучасних піроелектричних пристроїв використовують синтетичні кераміки, найчастіше оксид свинцю з титаном, широко відомий своїм скороченням PZT. Ці матеріали належать до ширшої родини, яка називається ферроелектриками, і для їх розуміння потрібен додатковий крок за межами простої кристалічної симетрії. Кераміка PZT, виготовлена ​​на заводі, є полікристалічною, складається з безлічі мікроскопічних кристалічних зернищ, кожне з яких має власну асиметричну одиницю комірки та, відповідно, власне локальне електричне поляризацію, але ці зерна випадково орієнтовані в будь-якому напрямку. У цьому стані після випікання випадкові орієнтації взаємно скасовуються в середньому, і масивний керамічний матеріал не показує жодної чистої піроелектричної реакції, незважаючи на те, що кожне окреме зернятко є піроелектричним на мікроскопічному рівні. Для активації матеріалу виробники застосовують процес полярювання: кераміку нагрівають до температури поблизу точки Кюрі та піддають дії сильного зовнішнього електричного поля, часто декілька кіловольт на міліметр, коли вона охолоджується. Це поле змушує напрямок поляризації кожного зерна повертатися та максимально вирівнюватися в напрямку поля, і цей вирівнювання стає суттєво зафіксоване після охолодження кераміки нижче точки Кюрі та видалення поля. Результатом є кераміка з сильною, стабільною чистою піроелектричною реакцією вздовж напрямку полярювання. Перевага інженерних кераміків над природними кристалами значна: PZT можна виготовити майже будь-якої форми, його піроелектричні коефіцієнти можна налаштувати, регулюючи співвідношення цирконію до титану та додаючи легувальні добавки, і його реакція зазвичай сильніша, ніж у природного кварцу. Недолік полярювання PZT полягає в тому, що він може втратити свої піроелектричні властивості, якщо нагрівається вище точки Кюрі, піддається дії сильного протилежного електричного поля або зазнає надмірного механічного навантаження, тому розробники пристроїв повинні уважно дотримуватися цих обмежень експлуатації.

Від Жоржівських до сучасних пристроїв

Ефект піроелектрики вперше було виявлено в 1880 році братами Жозефом і П’єром Кюрі, які систематично тестували ряд кристалів, зокрема кварц, турмалін та рожеву сіль, і виявили, що механічне тиск, прикладений вздовж певних кристалічних осей, призводить до пропорційних електричних зарядів на поверхнях кристалів. Цікаво, що брати зрозуміли існування прямого ефекту завдяки ретельному кристалографічному аналізу щодо симетрії ще до завершення деяких підтверджуючих експериментів. Обернений ефект не був виявлений експериментально, а скоріше передбачений математично в 1881 році фізиком Габріелем Ліппманом, який використав термодинамічні аргументи для показу, що якщо існує прямий ефект, то також повинен існувати і обернений ефект через вимоги симетрії; брати Кюрі негайно підтвердили цю передбачення в лабораторії. Протягом кількох десятиліть ефект залишався лабораторною дивовижкою, але це змінилося кардинально під час Першої світової війни, коли Пол Ланґевін використав кварцові піроелектричні перетворювачі для створення ранніх гідроакустичних пристроїв для виявлення підводних човнів, демонструючи величезну практичну цінність ефекту для генерації та виявлення ультразвукових хвиль у воді. У середині ХХ століття відкриття та вдосконалення синтетичної ферроплектронної кераміки, такої як барій-титанатний або пірит лідзоніт-титанатний, перетворили піроелектрику з нішевого явища на промислову «робочу коня», оскільки ці матеріали, створені штучно, забезпечували значно сильніші відповіді та більшу гнучкість у виробництві, ніж будь-які природні кристали. Сьогодні піроелектричні пристрої майже непомітні в їхній всепоширеності: вони генерують іскру в запальничках для газових грилів, підтримують час у майже кожному кварцовому годиннику та призначеному для цього годиннику, є серцем медичного ультразвукового та гідроакустичного обладнання, керують маленькими форсунками струменевих принтерів, відчувають удари та вібрації в двигунах автомобілів і позиціонують зонди скануючих мікроскопів з атомною точністю. Мало явища, виявлені у фізичному лабораторному приміщенні XIX століття, знайшло настільки широке та безперервне застосування в технологіях XXI століття.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте The Piezoelectric Effect і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.