Piroelectricidad
Voltaje creado cuando se calienta un cristal
Partes internas de un sensor piroeléctrico

La piroelectricidad (del griego pyr (πυρ), "fuego" y electricidad ) es una propiedad de ciertos cristales que están naturalmente polarizados eléctricamente y, como resultado, contienen grandes campos eléctricos. [1] La piroelectricidad puede describirse como la capacidad de ciertos materiales de generar un voltaje temporal cuando se calientan o enfrían. [2] [3] El cambio de temperatura modifica ligeramente las posiciones de los átomos dentro de la estructura cristalina , de modo que cambia la polarización del material. Este cambio de polarización da lugar a un voltaje a través del cristal. Si la temperatura se mantiene constante en su nuevo valor, el voltaje piroeléctrico desaparece gradualmente debido a la corriente de fuga . La fuga puede deberse a electrones que se mueven a través del cristal, iones que se mueven a través del aire o corriente que se filtra a través de un voltímetro conectado a través del cristal. [3] [4]

Explicación

La carga piroeléctrica en los minerales se desarrolla en las caras opuestas de los cristales asimétricos. La dirección en la que tiende la propagación de la carga suele ser constante en todo el material piroeléctrico, pero, en algunos materiales, esta dirección puede cambiarse mediante un campo eléctrico cercano. Se dice que estos materiales presentan ferroelectricidad .

Todos los materiales piroeléctricos conocidos también son piezoeléctricos . A pesar de ser piroeléctricos, los materiales nuevos como el nitruro de boro y aluminio (BAlN) y el nitruro de boro y galio (BGaN) tienen una respuesta piezoeléctrica cero para la tensión a lo largo del eje c en ciertas composiciones [5] , estando las dos propiedades estrechamente relacionadas. Sin embargo, tenga en cuenta que algunos materiales piezoeléctricos tienen una simetría cristalina que no permite la piroelectricidad.

Los materiales piroeléctricos son en su mayoría duros y cristales; sin embargo, la piroelectricidad blanda se puede lograr utilizando electretos . [6]

La piroelectricidad se mide como el cambio en la polarización neta (un vector) proporcional a un cambio en la temperatura. El coeficiente piroeléctrico total medido con tensión constante es la suma de los coeficientes piroeléctricos con deformación constante (efecto piroeléctrico primario) y la contribución piezoeléctrica de la expansión térmica (efecto piroeléctrico secundario). En circunstancias normales, incluso los materiales polares no muestran un momento dipolar neto . En consecuencia, no hay equivalentes dipolares eléctricos de los imanes de barra porque el momento dipolar intrínseco se neutraliza mediante la carga eléctrica "libre" que se acumula en la superficie por conducción interna o de la atmósfera ambiental. Los cristales polares solo revelan su naturaleza cuando se perturban de alguna manera que altere momentáneamente el equilibrio con la carga superficial compensadora.

La polarización espontánea depende de la temperatura, por lo que una buena sonda de perturbación es un cambio de temperatura que induce un flujo de carga hacia y desde las superficies. Este es el efecto piroeléctrico. Todos los cristales polares son piroeléctricos, por lo que las 10 clases de cristales polares a veces se denominan clases piroeléctricas. Los materiales piroeléctricos se pueden utilizar como detectores de radiación de longitud de onda milimétrica e infrarroja.

Un electreto es el equivalente eléctrico de un imán permanente.

Descripción matemática

El coeficiente piroeléctrico puede describirse como el cambio en el vector de polarización espontánea con la temperatura: [7] donde p i (Cm −2 K −1 ) es el vector del coeficiente piroeléctrico. pag i = ∂ PAG S , i ∂ yo {\displaystyle p_{i}={\frac {\partial P_{S,i}}{\partial T}}}

Historia

El primer registro del efecto piroeléctrico fue hecho en 1707 por Johann Georg Schmidt, quien observó que "la turmalina [caliente] podía atraer las cenizas de los carbones calientes o ardientes, como el imán hace con el hierro, pero también repelerlas de nuevo [después del contacto]". [8] En 1717 Louis Lemery notó, como Schmidt, que pequeños trozos de material no conductor eran primero atraídos por la turmalina, pero luego repelidos por ella una vez que entraban en contacto con la piedra. [9] En 1747 Linneo relacionó por primera vez el fenómeno con la electricidad (llamó a la turmalina Lapidem Electricum , "la piedra eléctrica"), [10] aunque esto no fue demostrado hasta 1756 por Franz Ulrich Theodor Aepinus . [11]

La investigación sobre la piroelectricidad se volvió más sofisticada en el siglo XIX. En 1824, Sir David Brewster le dio al efecto el nombre que tiene hoy. [12] Tanto William Thomson en 1878 [13] como Woldemar Voigt en 1897 [14] ayudaron a desarrollar una teoría sobre los procesos detrás de la piroelectricidad. Pierre Curie y su hermano, Jacques Curie , estudiaron la piroelectricidad en la década de 1880, lo que los llevó a descubrir algunos de los mecanismos detrás de la piezoelectricidad. [15]

Se atribuye erróneamente a Teofrasto (c. 314 a. C.) el primer registro de piroelectricidad. La idea errónea surgió poco después del descubrimiento de las propiedades piroeléctricas de la turmalina , lo que hizo que los mineralogistas de la época asociaran la legendaria piedra Lyngurium con ella. [16] El Lyngurium se describe en la obra de Teofrasto como similar al ámbar , sin especificar ninguna propiedad piroeléctrica. [17]

Clases de cristales

Todas las estructuras cristalinas pertenecen a una de las treinta y dos clases de cristales basadas en el número de ejes de rotación y planos de reflexión que poseen que dejan la estructura cristalina sin cambios ( grupos puntuales ). De las treinta y dos clases de cristales, veintiuna no son centrosimétricas (no tienen un centro de simetría ). De estas veintiuna, veinte exhiben piezoelectricidad directa , siendo la restante la clase cúbica 432. Diez de estas veinte clases piezoeléctricas son polares, es decir, poseen una polarización espontánea, tienen un dipolo en su celda unitaria y exhiben piroelectricidad. Si este dipolo puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico, se dice que el material es ferroeléctrico . Cualquier material dieléctrico desarrolla una polarización dieléctrica (electrostática) cuando se aplica un campo eléctrico, pero una sustancia que tiene tal separación de carga natural incluso en ausencia de un campo se llama material polar. Si un material es polar o no está determinado únicamente por su estructura cristalina. Solo 10 de los 32 grupos puntuales son polares. Todos los cristales polares son piroeléctricos, por lo que las diez clases de cristales polares a veces se denominan clases piroeléctricas.

Clases de cristales piezoeléctricos: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4 mm, -42 m, 3, 32, 3 m, 6, -6, 622, 6 mm, -62 m, 23, -43 m

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

Dos efectos que están estrechamente relacionados con la piroelectricidad son la ferroelectricidad y la piezoelectricidad . Normalmente, los materiales son casi eléctricamente neutros a nivel macroscópico. Sin embargo, las cargas positivas y negativas que componen el material no están necesariamente distribuidas de manera simétrica. Si la suma de la carga por la distancia de todos los elementos de la celda básica no es igual a cero, la celda tendrá un momento dipolar eléctrico (una cantidad vectorial). El momento dipolar por unidad de volumen se define como la polarización dieléctrica. Si este momento dipolar cambia con el efecto de los cambios de temperatura aplicados, el campo eléctrico aplicado o la presión aplicada, el material es piroeléctrico, ferroeléctrico o piezoeléctrico, respectivamente.

El efecto ferroeléctrico se manifiesta en materiales que poseen una polarización eléctrica en ausencia de un campo eléctrico aplicado externamente, de modo que la polarización puede invertirse si se invierte el campo eléctrico. Dado que todos los materiales ferroeléctricos presentan una polarización espontánea, todos los materiales ferroeléctricos también son piroeléctricos (pero no todos los materiales piroeléctricos son ferroeléctricos).

El efecto piezoeléctrico se manifiesta en cristales (como el cuarzo o la cerámica) en los que aparece un voltaje eléctrico a través del material cuando se aplica presión. De manera similar al efecto piroeléctrico, el fenómeno se debe a la estructura asimétrica de los cristales que permite que los iones se muevan más fácilmente a lo largo de un eje que de los otros. A medida que se aplica presión, cada lado del cristal adquiere una carga opuesta, lo que da como resultado una caída de voltaje a través del cristal.

La piroelectricidad no debe confundirse con la termoelectricidad : en una demostración típica de piroelectricidad, todo el cristal cambia de una temperatura a otra y el resultado es un voltaje temporal a través del cristal. En una demostración típica de termoelectricidad, una parte del dispositivo se mantiene a una temperatura y la otra a una temperatura diferente y el resultado es un voltaje permanente a través del dispositivo mientras haya una diferencia de temperatura. Ambos efectos convierten el cambio de temperatura en potencial eléctrico, pero el efecto piroeléctrico convierte el cambio de temperatura a lo largo del tiempo en potencial eléctrico, mientras que el efecto termoeléctrico convierte el cambio de temperatura con la posición en potencial eléctrico.

Materiales piroeléctricos

Aunque se han diseñado materiales piroeléctricos artificiales, el efecto se descubrió por primera vez en minerales como la turmalina . El efecto piroeléctrico también está presente en los huesos y los tendones . [18]

El ejemplo más importante es el nitruro de galio , un semiconductor. [19] Los grandes campos eléctricos en este material son perjudiciales para los diodos emisores de luz (LED), pero útiles para la producción de transistores de potencia. [ cita requerida ]

Se han logrado avances en la creación de materiales piroeléctricos artificiales, generalmente en forma de una película delgada, utilizando nitruro de galio ( GaN ) , nitrato de cesio ( CsNO3 ) , fluoruros de polivinilo , derivados de fenilpiridina y ftalocianina de cobalto . El tantalato de litio ( LiTaO3 ) es un cristal que exhibe propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas, que se ha utilizado para crear fusión nuclear a pequeña escala (" fusión piroeléctrica "). [20] Recientemente, se han descubierto propiedades piroeléctricas y piezoeléctricas en óxido de hafnio dopado (HfO2 ) , que es un material estándar en la fabricación de CMOS . [ 21]

Aplicaciones

Sensores de calor

Cambios muy pequeños de temperatura pueden producir un potencial piroeléctrico. Los sensores infrarrojos pasivos suelen estar diseñados en torno a materiales piroeléctricos, ya que el calor de un ser humano o un animal a varios metros de distancia es suficiente para generar un voltaje. [22]

Generación de energía

Un piroeléctrico puede calentarse y enfriarse repetidamente (de manera análoga a un motor térmico ) para generar energía eléctrica utilizable. Un ejemplo de un motor térmico es el movimiento de los pistones en un motor de combustión interna como el que se encuentra en un automóvil impulsado por gasolina. [23]

Un grupo calculó que un piroeléctrico en un ciclo de Ericsson podría alcanzar el 50% de la eficiencia de Carnot , [24] [25] mientras que un estudio diferente encontró un material que podría, en teoría, alcanzar el 84-92% de la eficiencia de Carnot [26] (estos valores de eficiencia son para el piroeléctrico en sí, ignorando las pérdidas por calentamiento y enfriamiento del sustrato , otras pérdidas de transferencia de calor y todas las demás pérdidas en otras partes del sistema).

Las posibles ventajas de los generadores piroeléctricos para generar electricidad (en comparación con el motor térmico convencional más el generador eléctrico ) incluyen:

  • Aprovechamiento de energía a partir del calor residual [27]
  • Temperaturas de funcionamiento potencialmente más bajas
  • Equipo menos voluminoso
  • Menos partes móviles. [28]

Aunque se han presentado algunas patentes para este tipo de dispositivos, [29] estos generadores no parecen estar cerca de comercializarse.

Fusión nuclear

Los materiales piroeléctricos se han utilizado para generar grandes campos eléctricos necesarios para dirigir los iones de deuterio en un proceso de fusión nuclear , conocido como fusión piroeléctrica .

Véase también

Referencias

  1. ^ Ashcroft, NW y Mermin, ND Física del estado sólido. (Cengage Learning, 1976).
  2. ^ Charles Kittel-8.ª edición. 2016. Introducción a la física del estado sólido .
  3. ^ ab Webster, John G (1999). Manual de medición, instrumentación y sensores. CRC Press. págs. 32-113. ISBN 978-0-8493-8347-2.
  4. ^ En este artículo, el término "voltaje" se utiliza en el sentido cotidiano, es decir, lo que mide un voltímetro . En realidad, se trata del potencial electroquímico , no del potencial electrostático ( potencial de Galvani ).
  5. ^ Liu, Kaikai (2017). "Aleaciones de Wurtzita BAlN y BGaN para ingeniería de polarización de heterointerfaz". Applied Physics Letters . 111 (22): 222106. Bibcode :2017ApPhL.111v2106L. doi :10.1063/1.5008451. hdl : 10754/626289 .
  6. ^ Darbaniyan, F.; Sharma, P. (2018). "Diseño de materiales piroeléctricos y electrocalóricos blandos utilizando electretos". Materia blanda . 15 (2): 262–277. Bibcode :2019SMat...15..262D. doi :10.1039/C8SM02003E. PMID  30543261. S2CID  56145736.
  7. ^ Damjanovic, Dragan (1998). "Propiedades ferroeléctricas, dieléctricas y piezoeléctricas de películas delgadas y cerámicas ferroeléctricas". Rep. Prog. Phys . 61 (9): 1267–1324. Bibcode :1998RPPh...61.1267D. doi :10.1088/0034-4885/61/9/002. S2CID  250873563.
  8. ↑ Johann Georg Schmidt, Curiöse Speculationes bey Schalflosen Nächten [Curiosas especulaciones durante las noches de insomnio] (Chemnitz y Leipzig (Alemania): Conrad Stössen, 1707), páginas 269-270. Una traducción al inglés del pasaje relevante aparece en: Sidney B. Lang, Sourcebook of Pyroelectricity , vol. 2 (Nueva York, Nueva York: Gordon and Breach, 1974), página 96.
  9. ^ "Diversas observaciones de la physique generale", Histoire de l'Académie des Sciences (1717); consulte las páginas 7-8.
  10. ^ Carl von Linné ("Linnaeus"), Flora Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae [La flora de Ceilán: compuesta por plantas indias de la isla de Ceilán] (Estocolmo ("Holmiae"), Suecia: Laurentii Salvii, 1747), página 8. Una traducción del pasaje relevante aparece en Lang (1974), página 103.
  11. ^ Aepinus (1756) "Memoire concernant quelques nouvelles experiments électriques remarquables" [Memoria sobre algunos experimentos eléctricos nuevos y notables], Histoire de l'Académie royale des sciences et des belles lettres (Berlín), vol. 12, páginas 105-121.
  12. ^ Brewster, David (1824). "Observaciones de la piroelectricidad de los minerales". The Edinburgh Journal of Science . 1 : 208–215.
  13. ^ William Thomson (1878) "Sobre las propiedades termoelásticas, termomagnéticas y piroeléctricas de la materia", Philosophical Magazine , serie 5, vol. 5, páginas 4 - 26.
  14. ^ W. Voigt (1897) "Versuch zur Bestimmung des wahren specifischen electrischen Momentes eines Turmalins" (Experimento para determinar el verdadero momento eléctrico específico de una turmalina), Annalen der Physik , vol. 60, páginas 368 - 375.
  15. ^ Jacques Curie y Pierre Curie, "Desarrollo por compresión de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées", Bulletin de la Société Minéralogique de France, vol. 3 (4), 90-93, 1880.
  16. ^ Earle R. Caley y John FC Richards, Theophrastus: On Stones (Columbus, Ohio: Ohio State University, 1956), página 110, línea 12 del comentario: "Watson identifica el lingounon de Teofrasto con la turmalina, pero evidentemente su opinión se basa en parte en las propiedades atractivas de la turmalina calentada que se habían descubierto recientemente. Esta identificación es repetida por varios escritores posteriores. Por ejemplo, Dana afirma que se supone que el lincurio es el nombre antiguo de la turmalina común. Sin embargo, la ausencia de turmalina entre los ejemplos supervivientes de gemas antiguas claramente contradice esta opinión".
  17. ^ Earle R. Caley y John FC Richards, Theophrastus: On Stones (Columbus, Ohio: Ohio State University, 1956), página 51, párrafo 28 del texto original: "Es [ el smaragdos ] notable en sus poderes, y también lo es el lyngourion [es decir, la piedra de orina de lince]... Tiene el poder de atracción, al igual que el ámbar, y algunos dicen que no solo atrae paja y trozos de madera, sino también cobre y hierro, si los trozos son delgados, como solía explicar Diocles".
  18. ^ LANG, SIDNEY B. (noviembre de 1966). "Efecto piroeléctrico en huesos y tendones". Nature . 212 (5063): 704–705. Bibcode :1966Natur.212..704L. doi :10.1038/212704a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4205482.
  19. ^ Nitruro de galio (GaN): física, dispositivos y tecnología”. 2015. CRC Press. 16 de octubre
  20. ^ Naranjo, B.; Gimzewski, JK; Putterman, S. (2005). "Observación de la fusión nuclear impulsada por un cristal piroeléctrico". Nature . 434 (7037): 1115–1117. Bibcode :2005Natur.434.1115N. doi :10.1038/nature03575. ISSN  0028-0836. PMID  15858570. S2CID  4407334.
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  22. ^ "Clasificación de objetivos mediante sensores infrarrojos piroeléctricos en entornos terrestres silvestres desatendidos". Revista internacional sobre detección inteligente y sistemas inteligentes . 6 (5).
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  29. ^ Por ejemplo: Patente de EE. UU. 4647836, Patente de EE. UU. 6528898, Patente de EE. UU. 5644184
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