Piroelectricidad

Internos de un sensor piroeléctrico

Piroelectricidad (de las dos palabras griegas pyr que significan fuego y electricidad) es una propiedad de ciertos cristales que están naturalmente polarizados eléctricamente y, como resultado, contienen grandes campos eléctricos.. La piroelectricidad se puede describir como la capacidad de ciertos materiales para generar un voltaje temporal cuando se calientan o enfrían. 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, la tensión piroeléctrica 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.

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 un material piroeléctrico, pero, en algunos materiales, esta dirección puede cambiar por un campo eléctrico cercano. Se dice que estos materiales exhiben ferroelectricidad. Todos los materiales piroeléctricos conocidos también son piezoeléctricos. A pesar de ser piroeléctricos, los materiales novedosos 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, y las dos propiedades están 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 cristalinos, sin embargo, la piroelectricidad blanda se puede lograr mediante el uso de electretos.

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 a tensión constante es la suma de los coeficientes piroeléctricos a tensión 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. Como consecuencia, no hay equivalentes dipolares eléctricos de los imanes de barra porque el momento dipolar intrínseco es neutralizado por "libre" carga eléctrica que se acumula en la superficie por conducción interna o de la atmósfera ambiental. Los cristales polares solo revelan su naturaleza cuando se les perturba de alguna manera que altera momentáneamente el equilibrio con la carga superficial compensatoria.

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 infrarroja y milimétrica.

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:

pi=∂ ∂ PS,i∂ ∂ T{displaystyle P_{i}={frac {partial P_{S,i}{partial T}

Historia

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

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. Tanto William Thomson en 1878 como Woldemar Voigt en 1897 ayudaron a desarrollar una teoría de 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.

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

Clases de cristal

Todas las estructuras cristalinas pertenecen a una de las treinta y dos clases de cristales según el número de ejes de rotación y planos de reflexión que poseen que dejan la estructura cristalina sin cambios (grupos de puntos). De las treinta y dos clases de cristales, veintiuna no son centrosimétricas (no tienen un centro de simetría). De estos veintiuno, veinte exhiben piezoelectricidad directa, siendo el 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 denomina material polar. Si un material es polar o no, está determinado únicamente por su estructura cristalina. Solo 10 de los 32 grupos de puntos 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 cristal piezoeléctrico: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4 mm, -42 m, 3, 32, 3 m, 6, -6, 622, 6 mm, -62 m, 23, - 43m

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

Efectos relacionados

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 forma simétrica. Si la suma de la carga por la distancia para 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 se puede invertir si se invierte el campo eléctrico. Dado que todos los materiales ferroeléctricos exhiben una polarización espontánea, todos los materiales ferroeléctricos también son piroeléctricos (pero no todos los materiales piroeléctricos son ferroeléctricos).

El efecto piezoeléctrico lo exhiben los cristales (como el cuarzo o la cerámica) en los que aparece un voltaje eléctrico a través del material cuando se aplica presión. 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 en los otros. A medida que se aplica presión, cada lado del cristal adquiere una carga opuesta, lo que provoca una caída de voltaje en el 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 parte a una temperatura diferente, y el resultado es un voltaje permanente a través del dispositivo siempre que haya una temperatura diferencia. 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 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 huesos y tendones.

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

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

Aplicaciones

Sensores de calor

Los cambios de temperatura muy pequeños pueden producir un potencial piroeléctrico. Los sensores infrarrojos pasivos a menudo se diseñan alrededor de materiales piroeléctricos, ya que el calor de un ser humano o un animal a varios pies de distancia es suficiente para generar un voltaje.

Generación de energía

Un piroeléctrico se puede calentar y enfriar repetidamente (de manera análoga a un motor térmico) para generar energía eléctrica utilizable. Un grupo calculó que un piroeléctrico en un ciclo de Ericsson podría alcanzar el 50 % de la eficiencia de Carnot, mientras que otro estudio encontró un material que podría, en teoría, alcanzar el 84-92 % de la eficiencia de Carnot (estos valores de eficiencia son para el piroeléctrico en sí, ignorando pérdidas por calentamiento y enfriamiento del sustrato, otras pérdidas por 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: temperaturas de funcionamiento potencialmente más bajas, equipos menos voluminosos y menos piezas móviles. Aunque se han presentado algunas patentes para un dispositivo de este tipo, estos generadores no parecen estar cerca de la comercialización.

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. Esto se conoce como fusión piroeléctrica.