Четверг 23 Май 2019
Войти Регистрация

Login to your account

Username
Password *
Remember Me

Create an account

Fields marked with an asterisk (*) are required.
Name
Username
Password *
Verify password *
Email *
Verify email *

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11

Электретная батарейка

    В некоторых диэлектриках электрическая поляризация может длительно существовать в отсутствии приложенного извне электрического поля. Эта поляризованное состояние может быть как энергетически выгодным (стабильным и весьма устойчивым к внешним воздействиям), так и существовать в виде метастабильного состояния (которое может быть нарушено). В первом случае поляризация называется «спонтанной», а во втором случае – «остаточной».

В спонтанно поляризованных диэлектриках тепловая энергия может непосредственно превращаться в электрическую энергию за счет пироэлектрического эффекта, т. е. за счет изменения собственной поляризации диэлектриков при их нагревании или охлаждении.

    Таким образом, пироэлектрик, как и пьезоэлектрик, представляет собой твердотельный преобразователь энергии, только пьезоэлектрик является электромеханическим (или, наоборот, механоэлектрическим) преобразователем, а пироэлектрик представляет собой теплоэлектрический (или электротепловой) преобразователь. Такое превращение энергии в твердом теле возможно только в том случае, если диэлектрик (кристалл, поликристалл или полимер) электрически поляризован. Однако эта поляризация в отсутствие внешних воздействий заметным образом не проявляется. Дело в том, что при неизменной температуре «собственная» (спонтанная) поляризованность обычно полностью скомпенсирована электрическими зарядами, оседающими на поверхности полярного диэлектрика или на электродах. Собственная (внутренняя) поляризация пироэлектрика проявляет себя только при динамическом (временном) изменении внешних условий.  Пироэлектрическая поляризация проявляется при изменении температуры полярного вещества. Повышение или понижение температуры полярного диэлектрика изменяет интенсивность теплового движения частиц в нем и при этом изменяет как ориентацию полярных комплесов, так и расстояние между ними, приводя к изменению спонтанной поляризованности. Вследствие этого на поверхности полярного диэлектрика появляются не скомпенсированные электрические заряды. Если пироэлектрический элемент подключен к «нагрузке» (например, к входному сопротивлению усилителя), то через это сопротивление протекает пироэлектрический ток. В случае разомкнутого кристалла на нем появляется пироэлектрическое напряжение. Однако, если впоследствии температура пироэлектрика не изменяется, то пироэлектрический ток (или пироэлектрический потенциал) постепенно уменьшается.

    Пироэлектрический эффект был описан еще в старинных научных трудах (упоминался около 2000 лет тому назад греческим философом Плинием). Наблюдался этот эффект, как правило, в полудрагоценном минерале турмалине (впоследствии такие кристаллы были названы «электрическими»). Термин «пиро-» происходит от греческого слова «огонь», поскольку эффект проявлял себя при нагревании турмалина на огне. При таком нагревании на поверхности кристалла появлялись электрические заряды, что сопровождалось звуками «потрескивания» – электрическими разрядами. Более того, наблюдалось притяжение нагретым турмалином мелких частиц. Современные измерения показали, что изменение температуры всего на 10 градусов приводит к появлению на тонкой (~ 1 мм) пластинке кристалла турмалина электрического потенциала около 1 кВ. При этом турмалин – сравнительно слабый пироэлектрик. В пироэлектрическом кристалле, обладающем большим пирокоэффициентом, уже при небольшом нагревании кристалла может произойти электрический пробой. Кроме кристаллов группы турмалина, появление «электрического отклика» при изменении температуры наблюдалось и в кварце, в котором нет векторного полярного электрического момента (кварц – не пироэлектрик, но пьезоэлектрик). Объяснение «пироэффекта в кварце» было дано только около 15 лет назад, когда было установлено, что «искусственное пироэлектричество» может проявиться при определенных граничных условиях во всех пьезоэлектрических классах кристаллов как следствие искусственно созданной диссимметрии.

    Как среди минералов, так и среди искусственно синтезированных кристаллов пироэлектрики встречаются сравнительно редко. К пироэлектрикам – минералам относятся, главным образом, турмалины (алюмоборосиликаты типа NaMg[Al3B3 . SiO6(OOH)30] с разными примесями), а к синтетическим пироэлектрикам - сульфат лития (LiSO4 .H2O), ниобат лития LiNbO3, виннокислый калий (K4C8O12 .H2O) и др. Пироэлектриками являются все широкодонные полупроводники типа AIIB VI (СdS, ZnO и др.), но пироэффект в них обычно невелик. Интересно отметить, что пироэлектриком является также кристаллический сахар (С12Н12О11),  Как правило, пироэффект обусловлен температурным изменением спонтанной (самопроизвольной) поляризации полярных кристаллов, однако подобный же эффект может быть искусственно индуцирован в любых твердых диэлектриках, если к ним приложено извне электрическое поле. Без внешнего электрического поля и при отсутствии механических воздействий изменение поляризованности с температурой возможно только в тех кристаллах, где эта поляризованность существует спонтанно: Pc . Так, в нормальных условиях (вблизи температуры 300 К), спонтанная поляризованность специально синтезированных кристаллов – пироэлектриков равна:

в ниобате лития Рс = 100 мкКл/см2 ,

в сульфате лития Рс = 6 мкКл/см2 ,

в виннокислом калии Рс = 80 мкКл/см2 .

Спонтанная поляризованность природного кристалла турмалина равна 17 мкКл/см2 .

   Кроме кристаллов, пироэлектричеством  обладает  поляризованная сегнетокерамика: в ней  при повышенной  температуре  и  под  действием  приложенного  извне  электрического  поля при изготовлении, ориентируются домены  (спонтанно  поляризованные  микрообласти),  так  что  после  охлаждения  до  нормальной температуры  и  выключения  поля  остается  поляризованная  пироактивная  текстура. В настоящее время известно несколько сегнетоэлектриков, многие из которых могут изготовляться в виде поликристаллических материалов по керамической технологии. Наиболее изученным является титанат бария BaTiO3.

     Применяются на практике диэлектрические активные элементы — вариконды.

 

   Варикондами называют сегнетокерамические конденсаторы с резко выраженными нелинейными зависимостями поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Вариконды относятся к сегнетоэлектрикам и обладают свойством спонтанной, т. е. самопроизвольной электрической поляризации, существующей независимо от внешнего поля. Наиболее изученным является титанат бария BaTiO3.

   Поляризованная сегнетокерамика также используется в пирометрии, хотя ее чувствительность может существенно уступать некоторым полярным кристаллам – сегнетоэлектрикам (любой сегнетоэлектрик, в котором приложением внешнего поля удается ориентировать домены, становится после такой поляризации и пироэлектриком, и пьезоэлектриком).

  Среди   новых   материалов,   способных эффективно   конвертировать   механическое и тепловое  воздействие   в электрический   заряд,   все   большее   внимание   исследователей привлекают   электроактивные   полимеры. В   частности,   наиболее перспективным   является поливинилиденфторид   (ПВДФ)   и   его сополимеры.

Нами изготовлен конденсатор, где в качестве диэлектрика мы применили пленку поливинилиденфторид   (ПВДФ). Она показала только пьезоэффект, т.к. обычная пленка ПВДФ, которая есть в продаже, не поляризована при изготовлении, и  для проявления пироэффекта   ее необходимо активировать в электрическом поле при повышенной температуре.

Видео пьезоэффекта можно посмотреть здесь (https://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=kRb_KBpNF5M)

Перспектива применения этого полимера показана в работах Заева Н.Е., по преобразованию тепловой энергии в электрическую. Применяя поливинилиденфторид в качестве активного диэлектрика , который по удельной мощности  в 1000 раз превосходит титанат бария BaTiO3, возможно практическое и коммерчески оправданное производство и применение автономных электрических батарей.

    Обратный  пироэлектрическому  эффекту  электрокалорический  эффект  влияет  на  величину диэлектрической  проницаемости .  Если  термическое  равновесие  успевает устанавливаться  на  частоте  приложенного  электрического  поля,  то  пироэлектрик  полностью  поглощает (отдает)  подведенную  электрическую  энергию,  преобразованную  им  в  тепловую.  Со  стороны электрической цепи этот процесс сводится к как повышению электрической емкости элемента, то есть он приводит к повышению диэлектрической проницаемости.

    При повышенных  частотах  электрического  поля  обмен  энергии  происходит  адиабатически  (тепловое равновесие  не  успевает  устанавливаться).  Это  выглядит  как  уменьшение  электрической  емкости пироэлемента,  так  что  на  повышенной  частоте  определяется  уже  адиабатическая  диэлектрическая проницаемость пироэлектрика.  Их  различие зависит от величины пирокоэффициента и от теплоемкости. Пироэлектрический  эффект  может  быть  использован  в  первую  очередь  для  обнаружения  и измерения тепловых потоков, а при соблюдении определенных условий  –  для  прямого преобразования тепловой  энергии  в  электрическую.  Электрокалорический  эффект  может  быть  применен  для электрически  управляемого  понижения  температуры  (например,  для  достижения  более  глубокого охлаждения в криогенной технике, в бытовых и промышленных холодильных машинах и агрегатах).

Таким  образом,  пироэлектрик  -  твердотельный  преобразователь  тепловой  энергии  в электрическую  и  обратно.  Электрокалорический  эффект,  при  котором  электрическая  энергия  по линейному  закону  преобразуется  в  тепловую,  дает  возможность  охлаждения  материала пироэлектрика  за  счет приложенного к нему электрического поля определенной полярности.

Использование  принципа  многоступенчатых  устройств  с оптимизацией  условий  энергообмена  между  последовательными  каскадами  цепи  позволяет рассчитывать на создание пироэлектрических  преобразователей тепловой энергии в электрическую, конкурентоспособных с другими типами подобных устройств. Для сравнения можно привести данные различных типов преобразователей энергии:

-  радиоизотопно-термоэлектрический, масса 200 кг/кВт, к.п.д. до 3%;

-  фотогальванический-полупроводниковый  (солнечные  батареи),  масса  10  кг/кВт,  к.п.д.  до 30%;

-  пироэлектрический каскадный многоступенчатый, масса 4 кг/кВт, к.п.д. до 20%.

Известны  рекордные  величины электрокалорического  эффекта  (2,6°С)  вблизи  фазового  перехода  в  антисегнетоэлектрической керамике  системы  Pb(Zr,Sn,Ti)O3,  так  же  как  в  керамике  Pb(Sc,Nb)O3.  Была  показана  вероятностная достижимость  термического  к.п.д.  цикла  порядка  10%  при  ожидаемом  энергосъеме  до  2  кВт/л энергоносителя,  что  позволяет  ощутить  реальную  будущую  конкурентоспособность пироэлектрических преобразователей с классическими автономными энергоустановками.

 

Резюме

 

  Пироэлектрик,  как  и  пьезоэлектрик,  представляет  собой  твердотельный  преобразователь энергии. Пьезоэлектричество связано с электромеханическим преобразованием, а пироэлектричество - с теплоэлектрическим. Такое превращение энергии в твердом теле возможно только в том случае, если диэлектрик  (кристалл,  поликристалл  или  полимер)  электрически  поляризован;  т.е.  пироэлектрик обладает  спонтанной  поляризацией.  При  теплоэлектрическом  преобразовании  проявляется  пироэлектрический  эффект,  а  при  обратном  ему  электротепловом  преобразовании  энергии  – электрокалорический эффект. 

Наши эксперименты