Piroelektrik—Penemuan, Dasar Fisik, dan Aplikasi
Sejarah penemuan
Legenda mengatakan bahwa catatan pertama piroelektrik dibuat oleh filsuf dan ahli botani Yunani kuno Theophrastus pada 314 SM. Menurut catatan ini, Theophrastus pernah memperhatikan bahwa kristal mineral turmalin, saat dipanaskan, mulai menarik potongan abu dan jerami. Belakangan, pada 1707, fenomena piroelektrik ditemukan kembali oleh pemahat Jerman Johann Schmidt.
Ada versi lain, yang menurutnya penemuan piroelektrik dikaitkan dengan filsuf Yunani kuno yang terkenal dan penjelajah Thales of Miletus, yang, menurut versi ini, membuat penemuan tersebut pada awal abad ke-6 SM. N. E. Bepergian ke negara-negara timur, Thales membuat catatan tentang mineral dan astronomi.
Dengan menyelidiki kemampuan ambar yang digosok untuk menarik sedotan dan ke bawah, dia mampu menafsirkan secara ilmiah fenomena elektrifikasi dengan gesekan. Plato kemudian menggambarkan cerita ini dalam dialog Timaeus.Setelah Plato, pada abad ke-10, filsuf Persia Al-Biruni dalam karyanya "Mineralogi" menjelaskan sifat serupa dari kristal garnet.
Hubungan antara piroelektrik kristal dan fenomena kelistrikan serupa lainnya akan dibuktikan dan dikembangkan pada tahun 1757, ketika Franz Epinus dan Johann Wilke mulai mempelajari polarisasi bahan tertentu saat mereka bergesekan satu sama lain.
Setelah 127 tahun, fisikawan Jerman August Kundt akan menunjukkan eksperimen nyata di mana dia akan memanaskan kristal turmalin dan menuangkannya melalui saringan dengan campuran timah merah dan bubuk belerang. Belerang akan bermuatan positif dan timah merah bermuatan negatif, menghasilkan warna merah-oranye timah merah mewarnai satu sisi kristal turmalin dan sisi lainnya tertutup abu-abu kuning cerah. August Kund kemudian mendinginkan turmalin, "polaritas" kristal berubah dan warnanya berpindah tempat. Penonton sangat senang.
Inti dari fenomena ini adalah ketika suhu kristal turmalin berubah hanya 1 derajat, medan listrik sekitar 400 volt per sentimeter muncul di kristal. Perhatikan bahwa turmalin, seperti semua piroelektrik, adalah keduanya piezoelektrik (omong-omong, tidak semua piezoelektrik adalah piroelektrik).
Fondasi fisik
Secara fisik, fenomena piroelektrik didefinisikan sebagai munculnya medan listrik dalam kristal karena perubahan suhunya. Perubahan suhu dapat disebabkan oleh pemanasan langsung, gesekan atau radiasi. Kristal ini termasuk dielektrik dengan polarisasi spontan (spontan) tanpa adanya pengaruh eksternal.
Polarisasi spontan biasanya tidak diperhatikan karena medan listrik yang diciptakannya diimbangi oleh medan listrik muatan bebas yang diterapkan pada kristal oleh udara sekitar dan sebagian besar kristal. Ketika suhu kristal berubah, besarnya polarisasi spontannya juga berubah, yang menyebabkan munculnya medan listrik, yang diamati sebelum terjadi kompensasi dengan muatan bebas.
Perubahan polarisasi spontan piroelektrik dapat dimulai tidak hanya oleh perubahan suhunya, tetapi juga oleh deformasi mekanis. Itulah sebabnya semua piroelektrik juga merupakan piezoelektrik, tetapi tidak semua piezoelektrik adalah piroelektrik.Polarisasi spontan, yaitu ketidaksesuaian pusat gravitasi muatan negatif dan positif di dalam kristal, dijelaskan oleh simetri alami kristal yang rendah.
Aplikasi piroelektrik
Saat ini, piroelektrik digunakan sebagai alat penginderaan untuk berbagai keperluan, sebagai bagian dari penerima dan detektor radiasi, termometer, dll. Semua perangkat ini mengeksploitasi properti utama piroelektrik — semua jenis radiasi yang bekerja pada sampel menyebabkan perubahan suhu sampel dan perubahan polarisasi yang sesuai. Jika dalam hal ini permukaan sampel ditutup dengan elektroda konduktif dan elektroda tersebut dihubungkan dengan kabel ke rangkaian pengukur, maka arus listrik akan mengalir melalui rangkaian ini.
Dan jika ada aliran radiasi apa pun pada input konverter piroelektrik, yang menyebabkan fluktuasi suhu piroelektrik (periodisitas diperoleh, misalnya, dengan modulasi intensitas radiasi buatan), maka arus listrik adalah diperoleh pada output, yang juga berubah dengan frekuensi tertentu.
Keuntungan dari detektor radiasi piroelektrik meliputi: rentang frekuensi radiasi terdeteksi yang sangat luas, sensitivitas tinggi, kecepatan tinggi, stabilitas termal. Penggunaan penerima piroelektrik di wilayah inframerah sangat menjanjikan.
Mereka benar-benar memecahkan masalah mendeteksi aliran energi termal berdaya rendah, mengukur kekuatan dan bentuk pulsa laser pendek, dan pengukuran suhu non-kontak dan kontak yang sangat sensitif (dengan akurasi derajat mikro).
Saat ini, kemungkinan menggunakan piroelektrik untuk secara langsung mengubah energi panas menjadi energi listrik sedang dibahas secara serius: aliran energi radiasi bolak-balik menghasilkan arus bolak-balik di sirkuit eksternal elemen piroelektrik. Dan meskipun efisiensi perangkat semacam itu lebih rendah daripada metode konversi energi yang ada, namun untuk beberapa aplikasi khusus, metode konversi ini cukup dapat diterima.
Kemungkinan yang sudah digunakan untuk menggunakan efek piroelektrik untuk memvisualisasikan distribusi spasial radiasi dalam sistem pencitraan inframerah (penglihatan malam, dll.) sangat menjanjikan. Vidikon piroelektrik dibuat - tabung televisi pemancar panas dengan target piroelektrik.
Gambar objek hangat diproyeksikan ke target, membangun relief muatan yang sesuai di atasnya, yang dibaca oleh berkas elektron pemindai. Tegangan listrik yang diciptakan oleh arus berkas elektron mengontrol kecerahan berkas yang melukis gambar objek di layar.