ИДЕНТИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛА ПО ЕГО ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ КОЭФФИЦИЕНТУ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шевцова С.А. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Бугаева Л.В. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Работа в формате PDF

553.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.Введение

Кристаллы, обладающие уникальными физическими свойствами, нашли широкое применение в различных областях науки и техники, от электроники до медицины. Одним из таких интересных свойств является пироэлектричество - способность некоторых кристаллов генерировать электрический заряд в ответ на изменение температуры. Это явление обусловлено наличием спонтанной поляризации в структуре кристалла, которая меняется с температурой.

Пироэлектрический коэффициент (p), определяющий величину заряда, генерируемого на единицу площади кристалла при изменении температуры на один градус, является ключевой характеристикой, позволяющей идентифицировать и классифицировать пироэлектрические материалы. Значение этого коэффициента уникально для каждого пироэлектрического вещества и зависит от его кристаллической структуры, химического состава и температуры.

Изучая научно- техническую литературу, я узнала, что по значению пироэлектрического коэффициента можно узнать много интересной информации, а именно:

• Идентификация неизвестных кристаллов: сравнение измеренного пироэлектрического коэффициента с известными значениями может помочь в определении состава и структуры кристалла.

• Анализ качества кристалла: отклонение пироэлектрического коэффициента от теоретического значения может указывать на наличие дефектов в кристаллической структуре или примесей.

• Разработка новых материалов: пироэлектрический коэффициент является важным параметром при разработке новых материалов с заданными электрическими свойствами.

• Выбор материала для конкретного применения: знание пироэлектрического коэффициента позволяет выбрать наиболее подходящий материал для создания датчиков температуры, пироэлектрических генераторов и других устройств.

Меня заинтересовал этот метод и было решено его проверить в исследовательской работе.

Таким образом, была поставлена цель: идентифицировать состав кристаллического образца по его пироэлектрическому коэффициенту.

Сформулированы следующие задачи:

1. Познакомиться с пироэлектрическими материалами.

2. Научиться работать с измерительным оборудованием.

3. Определить материал по его пироэлектрическому коэффициенту.

Объект исследования: пироэлектрический кристалл.

Предмет исследования: пироэлектрические свойства кристаллических образцов

Методы исследования: изучение научной и технической литературы, проведение экспериментальных исследований.

II. Теоретическая часть

2.1. Физические основы пироэлектрического эффекта

Пироэлектрический эффект — это явление, при котором изменение температуры кристалла приводят к появлению электрического поля и электрического заряда на его гранях. Этот эффект наблюдается в пироэлектрических материалах, структура которых обладает спонтанной поляризацией даже в отсутствии внешнего электрического поля.

Основной причиной пироэлектричества является смещение положительных и отрицательных ионов в кристалле относительно друг друга в условиях изменения температуры. Это смещение приводит к изменению дипольного момента кристалла, что вызывает появление электрического заряда на его поверхностях.

Пироэлектрический эффект тесно связан с пьезоэлектричеством, поскольку оба явления обусловлены отсутствием центра симметрии в кристаллической структуре. Однако, в отличие от пьезоэлектрического эффекта, пироэлектричество возникает исключительно в результате изменений температуры, а не под действием механических напряжений.

Существует три типа пироэлектрического эффекта:

1. Первичный эффект — возникает при нагреве или охлаждении материала, что приводит к изменению его поляризации.

2. Вторичный эффект — связан с термической деформацией материала при изменении температуры.

3. Третичный эффект — обусловлен градиентами температуры внутри материала, вызывающими локальные электрические поля.

2.2. Пироэлектрические материалы и их свойства

Пироэлектрические материалы — это вещества, которые обладают способностью изменять свою поляризацию в ответ на изменение температуры. Это явление возникает в материалах, которые имеют внутреннюю асимметрию в своей структуре, что приводит к появлению спонтанной поляризации, даже в отсутствии внешнего электрического поля.

2.2.1. Структура пироэлектрических материалов

Пироэлектрические материалы, как правило, имеют кристаллическую решётку, в которой расположение положительных и отрицательных ионов смещено относительно друг друга. Это создает электрический диполь, который под воздействием температуры изменяет свою ориентацию или величину.

Примеры таких материалов представлены в таблице №1:

Таблица №1 «Пироэлектрические материалы»

2.2.2. Свойства пироэлектрических материалов

• Температурная чувствительность. Пироэлектрические материалы способны изменять свою поляризацию в ответ на изменения температуры. Это позволяет использовать их в температурных сенсорах и других устройствах.

• Высокая эффективность преобразования энергии. Эти материалы могут эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую, что делает их полезными для создания сенсоров, генераторов и устройств для сбора энергии из тепла.

• Прямое воздействие на электростатические поля. Изменение температуры приводит к появлению электрического поля на поверхности материала, что можно использовать для создания пироэлектрических датчиков и генераторов.

2.2.3. Применение пироэлектрических материалов

Пироэлектрические материалы находят широкое применение в различных областях, благодаря своим уникальным свойствам — способности генерировать электрические заряды в ответ на изменения температуры. Этот эффект позволяет использовать пироэлектрические материалы в различных областях:

• Температурные сенсоры и детекторы

Пироэлектрические материалы активно используются в инфракрасных сенсорах и температурных датчиках. Применение пироэлектрических материалов в этих устройствах позволяет с высокой точностью измерять изменения температуры на основе изменения поляризации. Например, они используются в тепловизорах и других устройствах для обнаружения теплового излучения в медицинских и промышленных приложениях.

Применение:

• Медицинские термографические устройства (для диагностики заболеваний).

• Промышленные сенсоры для мониторинга температуры в различных производственных процессах.

• Генерация электрической энергии

Пироэлектрические материалы используются в устройствах, которые могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Это достигается за счет того, что изменения температуры на поверхности пироэлектрических материалов приводят к генерации электрического тока. Эти материалы применяются в устройствах, которые собирают энергию из окружающей среды, например, в малых энергогенераторах.

Применение:

• Энергосберегающие системы, использующие тепловые источники (например, в устройствах для зарядки мобильных приборов).

• Генерация электричества из низкопотенциальных тепловых источников в удаленных районах.

• Оптоэлектроника

Пироэлектрические материалы находят применение в оптоэлектронных устройствах, таких как лазеры, модуляторы света и фотоэлектрические ячейки. Эти материалы способны изменять свои электрические свойства при воздействии на них тепла, что делает их полезными для создания высокочувствительных оптических систем.

Применение:

• Оптоэлектронные устройства для передачи данных.

• Модуляторы и детекторы в оптоволоконных системах.

• Космическая техника

Пироэлектрические материалы используются в космических технологиях, где они могут быть применены для преобразования тепла, получаемого от солнечной радиации, в электричество. Такие материалы также могут быть использованы для создания автономных источников энергии для спутников и других космических аппаратов.

Применение:

• Энергетические системы на базе пироэлектрических материалов для космических аппаратов.

• Сенсоры для обнаружения изменений температуры в условиях космического пространства.

• Экологические технологии

Пироэлектрические материалы также применяются в экологически чистых технологиях, таких как устройства для утилизации тепловых отходов и преобразования их в полезную электрическую энергию. Это может быть полезно для создания более эффективных и экологичных решений в энергетике.

Применение:

• Преобразование тепловых отходов в электричество в промышленности.

• Встроенные системы для сбора энергии в устройствах с низким энергопотреблением.

III. Практическая часть

Для проведения практической части работы был взят пироэлектрический образец из коллекции лаборатории радиационной физики НИУ «БелГУ» неизвестного состава. Практическая часть исследовательской работы состояла из нескольких этапов:

Остановимся подробнее на каждом этапе.

3.1. Маркировка граней кристалла и определение их площадей

Перед проведением исследования на грани кристалла с целью более удобного его использования в работе были нанесены маркером красная, зелёная и черная стрелочки. С помощью электронного штангенциркуля были определены размеры граней и рассчитаны их площади. (рис.1). Результаты представлены в таблице №2.

Рис.1.

Определение размеров граней кристалла

Таблица №2 «Площади граней исследуемого образца»

	Площадь грани, S, мм2	Площадь грани, S, см2
Красная грань	19,98 х 19,98	4,00
Зеленая грань	8,06 х 19,98	1,61
Чёрная грань	8,06 х 19,98	1,61

3.2. Сборка установки для проведения исследования

Основными элементами установки для проведения исследования являлись:

1. Образец

2. Элемент Пельтье

3. Радиатор элемента Пельтье из дюралюминия

4. Источник питания для элемента Пельтье.

Регистрирующие приборы:

1. Инфракрасная камера

2. Пикоамперметр

Кристалл располагался в центре металлической камеры, которая закрывала его со всех сторон, чтобы устранить воздействие таких внешних факторов, как влажность, температура и пыль.

Внутри камеры, под кристаллом располагался элемент Пельтье, работающий поочерёдно в режиме нагревания и охлаждения, а сверху - инфракрасная камера (тепловизор) для контроля температуры кристалла в реальном времени. Включение и выключение элемента Пельтье осуществлялось с помощью источника постоянного напряжения.

Принципиальная схема установки представлена на рис. 2

Нижняя грань кристалла и верхняя, ей противоположная, с помощью электродов присоединялись к пикоамперметру, который фиксировал величину силы тока, проходившего через кристалл при разных режимах работы элемента Пельтье.

Рис.2.

Принципиальная схема установки

3.3. Снятие показаний приборов, определение изменений силы тока и температуры

Первый этап: установка кристалла в определенное положение так, что ток измеряется через определенную пару граней.
Второй этап: измерение фонового тока в цепи.

Третий этап: само измерение, 4 раза изменение температуры в сторону нагрева (каждый раз: 20 секунд – тепловое воздействие на кристалл осуществлялось путём подачи постоянного напряжения и тока на элемент Пельтье, 100 секунд – возврат температуры назад), потом также в сторону охлаждения четыре раза (рис.3). Таких три этапа проводилось четыре раза, один раз для каждой пары граней. Электрические характеристики элемента Пельтье: I=0,58 А, U=6В, Р=3,48 Вт.

Измерения величины фонового тока, проходящего через кристалл, проводились пикоамперметром (Приложение №1), изменение его температуры фиксировалось тепловизором (Приложение №2).

Рис.3.

Вид на кристалл через камеру тепловизора в процессе нагревания

Измерение фонового тока проводилось в программе, разработанной в среде программирования LabVIEW, изменение температуры - в программе Flir ТООLS. В двух программах было синхронизировано время изменений силы фонового тока и температурыкристалла за счет записи измерения на одном компьютере (рис.4).

Рис.4.

Фото экранов компьютеров в ходе проведения эксперимента

3.4. Вычисление пироэлектрического коэффициента и определение состава образца по его пироэлектрическому коэффициенту

Значение пироэлектрического коэффициента вычислялось по формуле:

р = , где

- сумма истинного тока, протекающему через грань, и находится по формуле:

В формуле выше:

I_фон –среднее арифметическое значение фонового тока,

N – количество точек измерения, Iиз –значение измеренного тока;

Δt- изменение температуры кристаллического образца;

S- площадь исследуемой грани;

По результатам опытов нагревания образца и его охлаждения были найдены средние значения пироэлектрического коэффициента для каждой грани. Результаты представлены в таблице №3 «Определение пироэлектрического коэффициента кристалла»

Таблица №3 «Определение пироэлектрического коэффициента кристалла»

Сводные результаты вычислений пироэлектрического коэффициента кристалла представлены на диаграмме (рис.4).

Рис.4.

Диаграмма значений пироэлектрического коэффициента

исследуемых граней

По результатам измерений и вычислений можно сделать следующие выводы:

1. Величина пироэлектрического коэффициента при нагревании кристалла получилась несколько выше, чем при охлаждении кристалла для красной и черной граней, что связано с особенностями работы элемента Пельтье, а именно, с наличием омического тепла, т.е. тепла, связанного с протекание электрического тока. Это приводит к компенсации части тепла, отводимого от холодной стороны элемента Пельтье.

2. Величина пироэлектрического коэффициента, полученного для красной грани, имеющей наибольшую площадь, значительно выше, чем для зелёной и чёрной граней, имеющих наименьшую площадь. Это указывает на то, что красная грань является полярной гранью, а две другие – не полярные.

3. Результаты полярной красной грани с максимальными значениями пироэлектрического коэффициента являются основополагающими для нахождения образца кристалла.

4. Значение пироэлектрического коэффициента 2,031·10^-8 Кл/(⁰С·м²) близки н табличной величине 2,3 10^-8 Кл/(⁰С·м²), что указывает на то, что исследуемый в работе образец является кристаллом танталата лития LiTaO_3.

IV. Заключение

Пироэлектрический эффект является одним из важнейших явлений, связанных с преобразованием тепловой энергии в электрическую. Его основой является способность определённых материалов генерировать электрический заряд при изменении температуры, что делает пироэлектрические материалы перспективными для различных технологических приложений.

Основные теоретические аспекты пироэлектрического эффекта, такие как механизмы спонтанной поляризации, изменение поляризации при температурных колебаниях и связь с другими электрическими эффектами (пьезоэлектричеством и сегнетоэлектричеством), были рассмотрены в ходе теоретической части работы. Применение пироэлектрических материалов в современных устройствах, таких как сенсоры, генераторы энергии, инфракрасные детекторы и в микроэлектронике, доказывает их высокую значимость и актуальность в современных технологиях.

Результаты практической части работы позволили определить материал исследуемого кристалла. Им оказался танталат лития LiTaO_3.

Исследование танталата лития показало такие его характеристики, как стабильность, эффективность и способность работать в одном температурном диапазоне (диапазоне около комнатных температур). Эти свойства делают его особенно важными для создания автономных энергосистем, экологичных устройств и высокотехнологичных сенсоров.

В целом, результаты исследовательской работы подтверждают перспективность пироэлектрических материалов для дальнейшего изучения и применения в таких сферах, как энергетика, медицина, космическая техника и экология. Для полноценного использования их потенциала необходимо продолжить эксперименты и разработки, направленные на улучшение характеристик материалов и разработку новых решений для их внедрения в реальные системы.

V. Список литературы

1.Буш А. А. Пироэлектрический эффект и его применения. Учебное пособие /Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» - M., 2005.

2.Сивухин Д. В. Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. B 5 т. Т. ШІ. Электричество. - 4-е изд., стереот. - M.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004.

3.https://www.dmphotonics.com Спецификация танталата лития

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/ Триглицинсульфат

5.http://doi.org/10.1063/5.0124599Особенности пироэлектрического тока, генерируемого монокристаллом LiNbO₃ при низкочастотном синусоидальном изменении температуры

VI. Приложение

Приложение №1

Пикоамперметр

Приложение №2

Тепловизор FLIR

Приложение №3

Источник постоянного напряжения GPS-74303