Pyroélectricité—Découverte, bases physiques et applications

Histoire des découvertes

La légende raconte que les premiers enregistrements de pyroélectricité ont été réalisés par l'ancien philosophe et botaniste grec Théophraste en 314 av. Selon ces archives, Théophraste remarqua un jour que les cristaux de la tourmaline minérale, lorsqu'ils étaient chauffés, commençaient à attirer des morceaux de cendre et de paille. Bien plus tard, en 1707, le phénomène de la pyroélectricité est redécouvert par le graveur allemand Johann Schmidt.

Il existe une autre version, selon laquelle la découverte de la pyroélectricité est attribuée au célèbre philosophe et voyageur grec ancien Thales de Milet, qui, selon cette version, a fait la découverte au début du 6ème siècle avant JC. N. E. Voyageant dans les pays de l'Est, Thales a pris des notes sur les minéraux et l'astronomie.

En étudiant la capacité de l'ambre frotté à attirer les pailles et vers le bas, il a pu interpréter scientifiquement le phénomène d'électrification par frottement. Platon décrira plus tard cette histoire dans le dialogue du Timée.Après Platon, déjà au 10ème siècle, le philosophe persan Al-Biruni dans son ouvrage "Minéralogie" a décrit des propriétés similaires des cristaux de grenat.

Le lien entre la pyroélectricité des cristaux et d'autres phénomènes électriques similaires sera prouvé et développé en 1757, lorsque Franz Epinus et Johann Wilke commencent à étudier la polarisation de certains matériaux lorsqu'ils se frottent les uns contre les autres.

Après 127 ans, le physicien allemand August Kundt montrera une expérience vivante dans laquelle il chauffera un cristal de tourmaline et le versera à travers un tamis avec un mélange de poudres de plomb rouge et de soufre. Le soufre sera chargé positivement et le plomb rouge chargé négativement, ce qui entraînera la coloration rouge-orange du plomb rouge d'un côté du cristal de tourmaline et l'autre côté recouvert d'un jaune-gris brillant. August Kund a ensuite refroidi la tourmaline, la "polarité" du cristal a changé et les couleurs ont changé de place. Le public était ravi.

L'essence du phénomène est que lorsque la température du cristal de tourmaline ne change que de 1 degré, un champ électrique d'environ 400 volts par centimètre apparaît dans le cristal. Notez que la tourmaline, comme tous les pyroélectriques, est à la fois piézoélectrique (d'ailleurs, tous les piézoélectriques ne sont pas pyroélectriques).

Fondations physiques

Physiquement, le phénomène de pyroélectricité se définit comme l'apparition d'un champ électrique dans les cristaux dû à une variation de leur température. Le changement de température peut être causé par un échauffement direct, une friction ou un rayonnement. Ces cristaux comprennent des diélectriques à polarisation spontanée (spontanée) en l'absence d'influences extérieures.

La polarisation spontanée n'est généralement pas remarquée car le champ électrique qu'elle crée est compensé par le champ électrique de charges libres qui sont appliquées au cristal par l'air ambiant et par la masse du cristal. Lorsque la température du cristal change, l'amplitude de sa polarisation spontanée change également, ce qui conduit à l'apparition d'un champ électrique, qui est observé avant que la compensation avec des charges libres ne se produise.

Un changement de la polarisation spontanée des pyroélectriques peut être initié non seulement par un changement de leur température, mais aussi par une déformation mécanique. C'est pourquoi tous les pyroélectriques sont aussi des piézoélectriques, mais tous les piézoélectriques ne sont pas des pyroélectriques.La polarisation spontanée, c'est-à-dire le décalage des centres de gravité des charges négatives et positives à l'intérieur du cristal, s'explique par la faible symétrie naturelle du cristal.

Applications de la pyroélectricité

Aujourd'hui, les pyroélectriques sont utilisés comme dispositifs de détection à diverses fins, dans le cadre de récepteurs et de détecteurs de rayonnement, de thermomètres, etc. Tous ces dispositifs exploitent une propriété clé des pyroélectriques : tout type de rayonnement agissant sur l'échantillon provoque une modification de la température de l'échantillon et une modification correspondante de sa polarisation. Si dans ce cas la surface de l'échantillon est recouverte d'électrodes conductrices et que ces électrodes sont reliées par des fils au circuit de mesure, alors un courant électrique va circuler dans ce circuit.

Et s'il y a un flux de tout type de rayonnement à l'entrée d'un convertisseur pyroélectrique, qui provoque des fluctuations de la température du pyroélectrique (la périodicité est obtenue, par exemple, par modulation artificielle de l'intensité du rayonnement), alors un courant électrique est obtenu à la sortie, qui change également avec une certaine fréquence .

Les avantages des détecteurs de rayonnement pyroélectrique comprennent: une gamme infiniment large de fréquences de rayonnement détecté, une sensibilité élevée, une vitesse élevée, une stabilité thermique. L'utilisation de récepteurs pyroélectriques dans le domaine infrarouge est particulièrement prometteuse.

Ils résolvent en fait le problème de la détection des flux d'énergie thermique de faible puissance, de la mesure de la puissance et de la forme des impulsions laser courtes et de la mesure de la température sans contact et avec contact très sensible (avec une précision au microdegré).

Aujourd'hui, la possibilité d'utiliser des pyroélectriques pour convertir directement l'énergie thermique en énergie électrique est sérieusement discutée : un flux alternatif d'énergie rayonnante génère un courant alternatif dans le circuit externe d'un élément pyroélectrique. Et bien que l'efficacité d'un tel dispositif soit inférieure aux méthodes de conversion d'énergie existantes, cette méthode de conversion est tout à fait acceptable pour certaines applications particulières.

La possibilité déjà utilisée d'utiliser l'effet pyroélectrique pour visualiser la répartition spatiale du rayonnement dans les systèmes d'imagerie infrarouge (vision nocturne, etc.) est particulièrement prometteuse. Création de vidicons pyroélectriques - des tubes de télévision transmettant la chaleur avec une cible pyroélectrique.

L'image d'un objet chaud est projetée sur une cible, en y construisant le relief correspondant de la charge, qui est lu par un faisceau d'électrons à balayage. La tension électrique créée par le courant du faisceau d'électrons contrôle la luminosité du faisceau qui peint l'image de l'objet sur l'écran.