71. Пироэлектрики

К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры.

Уравнение пироэлектрического эффекта записывают в виде

-dP_СП = pdT

где Р_СП – спонтанная поляризованность диэлектрика;

р - пироэлектрический коэффициент.

При неизменной температуре спонтанный электрический момент диэлектрика скомпенсирован свободными зарядами противоположного знака (свободные заряды на рис. 42 обведены кружочками) за счет процессов электропроводности или адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы.

При нагреве или охлаждении поляризован ность Р_СП изменяется (уменьшение Р_СП условно изображено исчезновением нескольких диполей) часть зарядов на поверхности диэлектрика освобождается, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток

J = –SdP_СП/dt = SpdT/dt,

где S — поверхность пироэлектрика;

dT/dt - скорость изменения температуры.

Кроме того, все пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, поэтому в них при изменении температуры за счет температурного изменения размеров возникает пьезоэлектрическая поляризация. Это так называемый вторичный пироэлектрический эффект.

Температурные изменения спонтанной поляризованности обусловлено двумя основными причинами. С одной стороны, повышение температуры нарушает упорядоченность в расположении элементарных дипольных моментов (первичный или истинный пироэффект), а с другой стороны, нагревание вызывает изменение линейных размеров диэлектрика и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную деформацией (вторичный пироэффект).

Пироэлектрический коэффициент р учитывает оба эти фактора

Все пироэлектрики обладают и обратным электрокалорическим эффектом, то есть их температура изменяется при поляризации. Численно электрокалорический эффект характеризуется тем же пирокоэффициентом:

P = dS/dE,

где S — энтропия.

Качество пироэлектрика принято характеризовать приведенным физическим параметром

R_B=Р/(·c),

где  – диэлектрическая проницаемость;

с - удельная объемная теплоемкость.

Чем больше значение R_B тем большую разность потенциалов можно получить на образце при одной и той же поглощаемой мощности.

Пироэлектрическими свойствами обладают все сегнетоэлектрические материалы и турмалин и сульфат лития (LiSO₄H₂O).

Значительный пироэффект в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности для регистрации ИК и СВЧ излучения.

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. Специфическим свойством таких тепловых фотоприемников является отсутствие избирательности по спектру излучения. Существенное преимущество их состоит в том, что они не требуют охлаждения при детектировании излучения даже в далекой ИК области спектра. Наряду с этим они обладают достаточно высоким быстродействием (способны работать в частотном интервале до 10 МГц), однако по чувствительности уступают полупроводниковым фотоприемникам.

Наибольшим пироэлектрическим коэффициентом обладают кристаллы ниобата бария – стронция (Sr_XBa_1-XNb₂O₆) у которых Р = (4–28)104 Кл/(м²к), но из-за высокой  чувствительность по напряжению R_B оказывается незначительной.

Наиболее высоким R_B = (8,5·10^-12 м/В) обладают кристаллы триглициринсульфата (ТГС) — наиболее широко используемым в низкочастотных детекторах излучения, но он гигроскопичен, поэтому необходима специальная герметизация в практических устройствах.

Повышенной чувствительностью на высоких частотах характеризуются кристаллы LiNbO₃ и LiTaO₃, отличающиеся стабильностью пироэлектрических свойств. Благодаря высокой температуре Кюри они не требуют специальных приемов закрепления монодоменизированното состояния и могут устойчиво работать до температур порядка 500°С.

Пироэлектрический эффект проявляется и в поляризованной сегнетокерамике, хотя пироэлектрические свойства поликристаллических образцов заметно хуже, чем у монокристаллов.