Pyroelektrizität – Entdeckung, physikalische Grundlagen und Anwendungen

Geschichte der Entdeckungen

Der Legende nach wurden die ersten Aufzeichnungen über Pyroelektrizität 314 v. Chr. vom antiken griechischen Philosophen und Botaniker Theophrastus gemacht. Diesen Aufzeichnungen zufolge bemerkte Theophrast einst, dass Kristalle des Minerals Turmalin beim Erhitzen begannen, Asche- und Strohstücke anzuziehen. Viel später, im Jahr 1707, wurde das Phänomen der Pyroelektrizität vom deutschen Kupferstecher Johann Schmidt wiederentdeckt.

Es gibt eine andere Version, nach der die Entdeckung der Pyroelektrizität dem berühmten antiken griechischen Philosophen und Reisenden Thales von Milet zugeschrieben wird, der dieser Version zufolge die Entdeckung zu Beginn des 6. Jahrhunderts v. Chr. machte. N. E. Thales reiste in östliche Länder und machte sich Notizen über Mineralien und Astronomie.

Indem er die Fähigkeit von geriebenem Bernstein untersuchte, Strohhalme nach unten zu ziehen, konnte er das Phänomen der Elektrifizierung durch Reibung wissenschaftlich interpretieren. Platon beschrieb diese Geschichte später im Timaios-Dialog.Nach Platon beschrieb bereits im 10. Jahrhundert der persische Philosoph Al-Biruni in seinem Werk „Mineralogie“ ähnliche Eigenschaften von Granatkristallen.

Der Zusammenhang zwischen der Pyroelektrizität von Kristallen und anderen ähnlichen elektrischen Phänomenen wurde 1757 nachgewiesen und entwickelt, als Franz Epinus und Johann Wilke begannen, die Polarisation bestimmter Materialien zu untersuchen, wenn sie aneinander rieben.

Nach 127 Jahren zeigt der deutsche Physiker August Kundt ein anschauliches Experiment, bei dem er einen Turmalinkristall erhitzt und ihn mit einer Mischung aus Bleimennige und Schwefelpulver durch ein Sieb gießt. Der Schwefel wird positiv geladen und das rote Blei negativ geladen, was dazu führt, dass das rot-orangefarbene rote Blei eine Seite des Turmalinkristalls färbt und die andere Seite mit einem leuchtenden Gelbgrau überzieht. Anschließend kühlte August Kund den Turmalin ab, die „Polarität“ des Kristalls änderte sich und die Farben wechselten die Plätze. Das Publikum war begeistert.

Der Kern des Phänomens besteht darin, dass bei einer Temperaturänderung des Turmalinkristalls um nur 1 Grad im Kristall ein elektrisches Feld von etwa 400 Volt pro Zentimeter entsteht. Beachten Sie, dass Turmalin, wie alle Pyroelektrika, beides ist piezoelektrisch (Übrigens sind nicht alle Piezoelektrika Pyroelektrika).

Physische Grundlagen

Physikalisch gesehen ist das Phänomen der Pyroelektrizität das Auftreten eines elektrischen Feldes in Kristallen aufgrund einer Temperaturänderung. Die Temperaturänderung kann durch direkte Erwärmung, Reibung oder Strahlung verursacht werden. Zu diesen Kristallen gehören Dielektrika mit spontaner (spontaner) Polarisation ohne äußere Einflüsse.

Eine spontane Polarisation wird normalerweise nicht bemerkt, da das elektrische Feld, das sie erzeugt, durch das elektrische Feld freier Ladungen ausgeglichen wird, die von der umgebenden Luft und der Masse des Kristalls auf den Kristall ausgeübt werden. Wenn sich die Temperatur des Kristalls ändert, ändert sich auch die Größe seiner spontanen Polarisation, was zum Auftreten eines elektrischen Feldes führt, das beobachtet wird, bevor eine Kompensation mit freien Ladungen erfolgt.

Eine Änderung der spontanen Polarisation von Pyroelektrika kann nicht nur durch eine Änderung ihrer Temperatur, sondern auch durch mechanische Verformung ausgelöst werden. Deshalb sind alle Pyroelektrika auch Piezoelektrika, aber nicht alle Piezoelektrika sind Pyroelektrika. Die spontane Polarisation, also die Nichtübereinstimmung der Schwerpunkte der negativen und positiven Ladungen im Inneren des Kristalls, erklärt sich aus der geringen natürlichen Symmetrie des Kristalls.

Anwendungen der Pyroelektrizität

Heutzutage werden Pyroelektrika als Sensorgeräte für verschiedene Zwecke verwendet, als Teil von Strahlungsempfängern und -detektoren, Thermometern usw. Alle diese Geräte nutzen eine Schlüsseleigenschaft der Pyroelektrika aus: Jede Art von Strahlung, die auf die Probe einwirkt, führt zu einer Änderung der Temperatur der Probe und einer entsprechenden Änderung ihrer Polarisation. Wenn in diesem Fall die Oberfläche der Probe mit leitfähigen Elektroden bedeckt ist und diese Elektroden über Drähte mit dem Messkreis verbunden sind, fließt durch diesen Stromkreis ein elektrischer Strom.

Und wenn am Eingang eines pyroelektrischen Wandlers Strahlung jeglicher Art fließt, die Temperaturschwankungen des Pyroelektrikums verursacht (Periodizität entsteht beispielsweise durch künstliche Modulation der Strahlungsintensität), dann entsteht ein elektrischer Strom am Ausgang erhalten, der sich ebenfalls mit einer bestimmten Frequenz ändert.

Zu den Vorteilen pyroelektrischer Strahlungsdetektoren gehören: ein unendlich großer Frequenzbereich der detektierten Strahlung, hohe Empfindlichkeit, hohe Geschwindigkeit, thermische Stabilität. Besonders vielversprechend ist der Einsatz pyroelektrischer Empfänger im Infrarotbereich.

Sie lösen tatsächlich das Problem der Erkennung von Wärmeenergieflüssen geringer Leistung, der Messung der Leistung und Form kurzer Laserimpulse sowie der hochempfindlichen berührungslosen und kontaktbehafteten Temperaturmessung (mit Mikrogradgenauigkeit).

Heutzutage wird ernsthaft über die Möglichkeit diskutiert, mithilfe von Pyroelektrika thermische Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln: Ein alternierender Fluss von Strahlungsenergie erzeugt einen Wechselstrom im Außenkreis eines pyroelektrischen Elements. Und obwohl die Effizienz eines solchen Geräts geringer ist als die der bestehenden Energieumwandlungsmethoden, ist diese Umwandlungsmethode für einige spezielle Anwendungen durchaus akzeptabel.

Besonders vielversprechend ist die bereits genutzte Möglichkeit, den pyroelektrischen Effekt zur Visualisierung der räumlichen Strahlungsverteilung in Infrarot-Bildgebungssystemen (Nachtsicht etc.) zu nutzen. Erstellte pyroelektrische Vidicons – wärmeübertragende Fernsehröhren mit einem pyroelektrischen Ziel.

Das Bild eines warmen Objekts wird auf ein Ziel projiziert und darauf das entsprechende Ladungsrelief aufgebaut, das von einem Rasterelektronenstrahl gelesen wird. Die durch den Elektronenstrahlstrom erzeugte elektrische Spannung steuert die Helligkeit des Strahls, der das Bild des Objekts auf dem Bildschirm zeichnet.